La Medición de la Disociación del Hidrógeno Pone en Entredicho la Teoría con el Experimento

Por: Sam Jarman

Un equipo internacional dirigido porWim Ubachs , de la VU de Amsterdam, y Frédéric Merkt, de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich, ha medido el valor experimental más preciso de la energía de disociación del hidrógeno molecular. La medición supone una mejora de un orden de magnitud con respecto a la mejor medición anterior y supone una desviación significativa con respecto a los cálculos teóricos más recientes. La resolución de esta discrepancia podría conducir a mejoras en la teoría cuántica molecular y podría dar lugar a un mejor valor medido para el radio del protón.

La energía de disociación del hidrógeno es la cantidad de energía necesaria para separar los dos átomos de una molécula de hidrógeno.  Para medir este valor, los físicos han desglosado previamente el proceso en un ciclo termodinámico de transiciones intermedias en el que la molécula se ioniza primero y luego se divide en un protón y un átomo de hidrógeno. A continuación, se añade un electrón al protón, formando dos átomos de hidrógeno neutros. Los físicos calculan entonces la energía de disociación molecular sumando las energías de excitación de cada una de estas transiciones.

La energía de disociación también puede calcularse teóricamente, teniendo en cuenta los efectos relativistas y electrodinámicos cuánticos. La comparación del resultado teórico con los valores experimentales ha permitido anteriormente realizar pruebas rigurosas de la teoría cuántica. El experimento y la teoría han coincidido en estudios anteriores, incluso cuando la precisión de los experimentos ha mejorado.

Nueva secuencia de transición

Para mejorar aún más la precisión, Ubachs, Merkt y sus colegas obtuvieron un valor más preciso para la energía de ionización, que es la etapa del proceso de disociación con la mayor incertidumbre experimental. Para ello utilizaron una nueva secuencia de transiciones, que consistió en medir una transición de alta energía con luz ultravioleta en la VU, y luego una transición de menor energía con una espectroscopia láser ultraprecisa de onda continua en el infrarrojo cercano en la ETH. Combinando los resultados, los investigadores calcularon una energía de disociación con una incertidumbre relativa de menos de 10^-⁹.

El resultado coincide con los resultados experimentales anteriores, pero parece desviarse de los cálculos teóricos más recientes en más de tres veces la incertidumbre experimental. En Physical Review Letters, los físicos señalan que puede ser necesario realizar ajustes en el tratamiento del movimiento relativista de los electrones y las fluctuaciones del vacío cuántico en los cálculos. Por otra parte, el desajuste podría señalar un problema más fundamental en la teoría cuántica molecular.

Resolver la discrepancia podría ofrecer una nueva forma de determinar el radio del protón y también podría conducir a mejores mediciones de la relación de masa entre protones y electrones. Las mediciones precisas de estas cantidades tienen el potencial de revelar novedades físicas. 

Artículo: PhysicsWorld report on Discrepancy in Hydrogen Dissociation Calculations and Recent Measurements