Fysikere måler kvanteelektrodynamiske effekter med hidtil uset nøjagtighed

Forskere fra Max Planck Institute for Nuclear Physics brugte specielt til at måle g-faktoren

designet Penning fælde til opbevaringenkelte ioner i et stærkt magnetfelt på 4 Tesla i et næsten perfekt vakuum. Som et resultat af eksperimentet var fysikere i stand til at beregne ændringen i denne egenskab med en nøjagtighed på op til 13 cifre.

Som en ladet partikel med spin, hver elektronhar et magnetisk moment, forklarer videnskabsmænd. Han er som en kompasnål orienteret i et magnetfelt. Styrken af ​​dette magnetiske moment bestemmes af g-faktoren. Et kvantitativt estimat af denne parameter for en fri elektron forudsiges med ekstraordinær nøjagtighed af kvanteelektrodynamik.

Det magnetiske moment af en elektron ændres så snartdet holder op med at være en "fri" partikel, der indgår i interaktioner med miljøet, for eksempel med atomkernen. De små ændringer i g-faktor, der opstår under interaktionen, kan beregnes ud fra kvanteelektrodynamik. Resultaterne af eksperimentet bekræftede de teoretiske beregninger.

Skema for forsøget. Kilde: Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg

I deres arbejde brugte fysikere to isotoperneon: atomer med 12 og 10 neutroner. Begrænsningerne af tidligere eksperimenter var forbundet med magnetiske feltsvingninger: forskellige effekter af et eksternt magnetfelt på forskellige atomer fører til et fald i målenøjagtigheden.

For at komme uden om denne begrænsning, i det nye arbejdeforskerne placerede to atomer samtidigt i det samme magnetfelt i koblet bevægelse. Med en sådan bevægelse roterer to ioner altid mod hinanden langs en fælles cirkulær bane med en radius på kun 200 μm. Takket være denne effekt var forskerne i stand til at bestemme forskellen i g-faktorerne for begge isotoper med en rekordnøjagtighed på op til 13 cifre. Dette er 100 gange højere end kvaliteten af ​​tidligere eksperimenter.

Vi har bekræftet, at elektronen faktisk interagerer med atomkernen gennem udveksling af fotoner, som forudsagt af kvanteelektrodynamik.

Zoltan Harman, forsker ved Max Planck Institute for Nuclear Physics og medforfatter af papiret

Fysikere planlægger at bruge den nye metode til fremtidig forskning. For eksempel sammenligninger af stof og antistof, samt ultrapræcis bestemmelse af en række andre grundlæggende konstanter i standardteorien.

Læs mere:

Kvantesimulator viste opdelingen af ​​en elektron i dele i et-dimensionelt rum

Fysikere har skabt en atomlaser, der kan arbejde for evigt

To planeter fundet ikke langt fra Jorden, der minder meget om vores