04.09.2020 - Max-Planck-Institut für Kernphysik

Masa del deuteron corregida

Sofisticada tecnología de medición para una máxima precisión

Las mediciones de alta precisión de la masa del deuteron, el núcleo del hidrógeno pesado, proporcionan nuevos conocimientos sobre la fiabilidad de las cantidades fundamentales en la física atómica y nuclear. Así lo informa en la revista "Nature" una colaboración dirigida por el Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg (Alemania) y los asociados de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia, el Centro Helmholtz de Investigación de Iones Pesados de la GSI de Darmstadt y el Instituto Helmholtz de Maguncia (Alemania). Así pues, se dispone ahora de datos directamente relacionados con la norma de masa atómica para el hidrógeno H, el deuterio D y la molécula HD, que los científicos también han vuelto a pesar.

Las masas de los núcleos atómicos y de los electrones influyen en numerosas propiedades de los átomos y las moléculas, por ejemplo, en sus espectros, es decir, en los colores de la luz que absorben o emiten. A los físicos les gusta que los valores de estas masas sean lo más exactos posible, porque sólo con sus conocimientos se pueden hacer cálculos precisos utilizando la física atómica para estos espectros. Los cálculos se confrontan entonces con mediciones directas, lo que permite, por ejemplo, sacar conclusiones sobre la fiabilidad de las teorías físicas básicas.

El hidrógeno y sus isótopos son de particular interés en este contexto, porque su simple envoltura de electrones con un solo electrón permite realizar cálculos extremadamente precisos y, por lo tanto, pruebas muy sensibles de las teorías físicas fundamentales. Además, la masa del deuteron también puede utilizarse para derivar la masa del neutrón - el segundo componente de los núcleos atómicos además del protón. Después de haber pesado ya con precisión el electrón y el protón, el núcleo del átomo de hidrógeno ordinario, en los últimos años, los investigadores en torno a Klaus Blaum y Sven Sturm del MPI para la Física Nuclear han puesto también ahora el deuteron, el núcleo de hidrógeno pesado compuesto por un protón y un neutrón, y el ión molecular HD⁺ en la "escala de precisión". Dado que el deuterio es raro y suele ser fácilmente reemplazado por el hidrógeno normal mucho más común, el grupo de investigación de Christoph Düllmann en Maguncia produjo una muestra de de deuterio a medida que se ajusta perfectamente al aparato utilizado.

Las trampas de pluma han demostrado ser las mejores escalas de precisión para los iones. En una trampa de este tipo, las partículas cargadas pueden quedar atrapadas durante mucho tiempo con la ayuda de campos eléctricos y magnéticos. La partícula atrapada realiza un movimiento característico en la trampa, que se describe por una frecuencia. Esta frecuencia depende de la masa de la partícula atrapada - las partículas más pesadas oscilan más lentamente que las más ligeras. Si se miden dos iones individuales diferentes, uno tras otro, en la misma trampa, se puede determinar exactamente la relación de las masas, de forma similar a un balance de haz mecánico clásico.

La sofisticada tecnología de medición para una máxima precisión

El patrón de masa de los átomos es el isótopo del carbono ¹ ² C, que por definición pesa 12 unidades de masa atómica. "Nuestro aparato trampa de Penning llamado LIONTRAP está situado en un imán superconductor en un vacío casi perfecto a una temperatura de unos 4 grados sobre el cero absoluto (-269°C). Preparamos un deuteron (D⁺) y un ión de carbono (¹²C⁶⁺) en el aparato, transferimos alternativamente uno de ellos desde su trampa de almacenamiento a la trampa de precisión ubicada entre las trampas de almacenamiento y medimos su movimiento con la más alta precisión", dice Sascha Rau, quien realizó las mediciones en el contexto de su doctorado, explicando el principio de medición. "La relación de las frecuencias de ambos iones obtenida de esta manera da directamente la masa del deuteron en unidades atómicas". Así, el ión de carbono actúa como un peso de referencia en el "equilibrio del haz".

Al evaluar los datos de las mediciones, los físicos tuvieron que considerar muy cuidadosamente la influencia de muchos efectos sistemáticos inevitables. Como resultado, obtuvieron la masa del deuteron como 2,013553212535(17) unidades atómicas, con el número entre paréntesis indicando la incertidumbre de los últimos dígitos. La masa del ión molecular de hidrógeno HD⁺, determinada por el mismo método, es de 3,021378241561(61) unidades atómicas.

El nuevo valor de la masa del deuteron es el más exacto jamás medido, pero es significativamente más pequeño que el valor de referencia tabulado. "Para validar nuestro resultado, calculamos la masa de HD⁺ con este valor y con las masas del protón y del electrón previamente medidas por nosotros, así como la conocida energía de unión. El resultado está en excelente acuerdo con nuestro valor medido directamente. Además, la relación de masa del deuterón y el protón derivada de nuestros datos encaja muy bien con el valor medido directamente por otro grupo", dice Sven Sturm con satisfacción. Esta coherencia de los datos sustenta la metodología de medición utilizada y sugiere que los valores de referencia deben ser corregidos. Además, los nuevos datos reducen considerablemente las discrepancias que existían anteriormente entre las masas de los núcleos ligeros. Sin embargo, para resolver plenamente esas discrepancias, se requieren nuevas mediciones de alta precisión de las masas -directamente en unidades atómicas- del hidrógeno superpesado (tritio) y del helio ligero.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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