&bala; Física 18, 110
A nova física pode explicar valores discrepantes para a energia de ionização de um estado metaestável de hélio.
Na busca de nova física além do modelo padrão de física de partículas, uma discrepância significativa entre teoria e experimento atrai atenção, especialmente em um sistema atômico simples, como o hélio. Recentemente, as evidências apareceram para um 9 Discrepância na energia de ionização do estado trigêmeo metaestável do hélio-4 (4Ele) (1Assim, 2). Isso se destaca como um polegar dolorido em um campo onde teoria e experimento são altamente precisos e normalmente de acordo. No entanto, ao avaliar a validade da discrepância, sempre existe a possibilidade de que algo tenha sido negligenciado ou calculado. Agora, Gloria Clausen e Frédéric Merkt, do Instituto Federal de Tecnologia da Suíça (ETH) Zurique, divulgaram os resultados de suas pesquisas mais recentes (3) em uma série de experimentos de alta precisão (1Assim, 4). Seus resultados (Fig. 1) indica que a discrepância permanece, assim como a possibilidade de o culpado ser uma nova física.
Para determinar as energias de ionização com precisão suficiente para enfrentar a teoria, os pesquisadores medem as energias de excitação de uma série de estados de Rydberg. Estes são estados cujo principal número quântico n é cerca de 20 ou mais. A energia de ionização de um átomo é a energia necessária para remover um elétron, isto é, para alcançar um estado de Rydberg com n igual ao infinito. Seu valor pode ser determinado para alta precisão por extrapolação robusta das energias de excitação dos estados mais baixos de Rydberg. Em experimentos anteriores, Clausen, Merkt e seus colaboradores determinaram as energias de ionização absoluta do 1 metaestável 1s2s3S1 (trigêmeo) e 1s2s1S0 (Singlete) estados de 4Ele com incertezas impressionantes de 60 kHz (5,2 ppt) (1) e 32 kHz (33 ppt), respectivamente (4).
O último experimento de Clausen e Merkt (Fig. 2) seguiu a mesma abordagem, mas desta vez eles a aplicaram ao estado trigêmeo metatável do hélio-3 (3Ele) (3). Usando um laser ultravioleta ajustável, eles excitaram o estado em um estado de Rydberg com n na faixa 27-55. Eles determinaram as energias de excitação medindo a tensão mínima necessária para ionizar o 3Ele átomo. Diferente 4Ele, 3Ele tem uma rotação nuclear diferente de zero, que introduz complicações adicionais. No entanto, os resultados indicam que a diferença de raios de carga entre a helião e a partícula alfa (os núcleos de 3Ele e 4Ele, respectivamente) é consistente com todos os experimentos anteriores que mediram as propriedades da estrutura atômica – exceto, importante, a energia de ionização. Os raios de carga podem ser extraídos da mudança de isótopo medidos – forneceu as contribuições da estrutura atômica pode ser calculada e subtraída com precisão. No entanto, essa rota é bloqueada pelo 9 Discrepância entre teoria e experimento.
G. Clausen e F. Merkt/Eth Zurich
Para se reconciliar com os valores experimentais, são necessários valores teóricos correspondentemente precisos para os dois n = 2 estados triplos metastáveis e os estados de Rydberg de alta altura. Métodos variacionais de alta precisão são usados para construir funções de onda de dois elétrons explicitamente correlacionadas para resolver o problema de três corpos mecânicos quânticos com um núcleo pontual. As funções de onda resultantes são essencialmente exatas para todos os propósitos práticos no limite não relativístico. As energias precisas para 20 ou mais números significativas são prontamente obtidas. As funções de onda fornecem uma base sólida sobre a qual construir correções relativísticas e quânticas eletrodinâmicas, expressas como uma série de energia na constante de estrutura fina juntamente com os efeitos de tamanho nuclear. Em uma série monumental de cálculos, Krzysztof Pachucki, da Universidade de Varsóvia, Polônia, e seus colegas de trabalho avaliaram todos esses termos para encomendar 4 Ry juntamente com estimativas de termos de ordem superior (2Assim, 5). Seu cálculo da energia de ionização da energia de ionização de trigêmeos metaestáveis em 3Ele discorda do valor experimental de Clausen e Merkt por 482 53 kHz (9 ). Os cálculos incluíram efeitos como a auto-energia eletrônica e a polarização a vácuo, que são bem conhecidos no espectro de hidrogênio.
A teoria e o experimento também discordam das energias de ionização dos estados de Rydberg na extremidade superior da transição de excitação medida? Os cálculos de alta precisão que funcionam bem para os estados baixos geralmente perdem a precisão com o aumento n e são impraticáveis para n Até 24 anos. Meus colaboradores e eu resolvemos recentemente esse problema, introduzindo três escalas de distância distintas para os elétrons interno e externo (6). Como no caso do estado trigêmeo inferior, as funções de onda resultantes fornecem uma base sólida para construir as correções relativísticas e quânticas eletrodinâmicas (QED). No entanto, há uma diferença importante. Todas as correções relativísticas e QED diminuem aproximadamente em proporção para 1//n3 e são suprimidos, por exemplo, por um fator de 6 × 10–4 no n = 24 Estado de Rydberg em comparação com o n = 2 estado. Uma comparação da teoria e experimento para os estados de alto rydberg com n = 24 e superior devem, portanto, estar livres de quaisquer imprecisões QED que possam estar causando uma discrepância para o n= 2 estado trigêmeo. De fato, teoria e experimento estão em excelente concordância para a energia de ionização do n = 24 Rydberg State of 4Ele. Cálculos correspondentes para 3Ele produz concordância semelhante entre teoria e experimento (7). Nossas descobertas, portanto, foram os 9 Discrepância para o n= 2 Estado do trigêmeo e, acreditamos, aumenta a confiança nos valores derivados experimentalmente.
O caminho para uma resolução closing da discrepância não é claro. O desacordo está presente apenas no lado trigêmeo (1Assim, 3) do espectro, e não no lado singlet (4). Supondo que todos os termos tenham sido determinados corretamente através de um cálculo longo e complicado (2Assim, 5), e as incertezas experimentais foram avaliadas corretamente, uma possível implicação é que existe uma interação adicional dependente de rotação que afeta apenas a parte trigêmea do espectro. As interações dependentes de rotação são um tópico quente em, entre outras coisas, pesquisas baseadas em espectroscopia por nova física na fronteira de baixa energia (8). Trabalho adicional é claramente exigido nos lados teóricos e experimentais.
Referências
- G. Clausen et al.“Metrologia em um átomo de dois elétrons: a energia de ionização do hélio trigêmeo metaestável 23S1” Phys. Rev. a 111012817 (2025).
- V. Patkóš et al.“Completo m A mudança de cordeiro dos estados trigêmeos de hélio ” Phys. Rev. a 103042809 (2021).
- G. Clausen e F. Merkt, “Energia de ionização de metaestável 3Ele (2 3S1) e a diferença alfa e helion-parte-radius da espectroscopia de precisão do NP Rydberg Sequence, ” Phys. Rev. Lett. 134223001 (2025).
- G. Clausen et al.“Energia de ionização do metaestável 2 1S0 estado de 4Ele da extrapolação da série Rydberg, ” Phys. Rev. Lett. 127093001 (2021).
- Okay. Pachucki et al.“Testando interações fundamentais no átomo de hélio”. Phys. Rev. a 95062510 (2017).
- Em Bondy et al.“Teoria para os estados de Rydberg de hélio: comparação com o experimento para o 1s24p1P1 estado (n = 24), ” Phys. Rev. a 111, L010803.
- Em Bondy e GWF Drake, (não publicado).
- L. Cong et al.“Interações exóticas dependentes de rotação”, Rev. Mod. Phys. (a ser publicado) ARXIV: 2408.15691.
