Οι φυσικοί μετρούν τα κβαντικά ηλεκτροδυναμικά φαινόμενα με άνευ προηγουμένου ακρίβεια

Οι επιστήμονες από το Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ για την Πυρηνική Φυσική χρησιμοποίησαν ειδικά για τη μέτρηση του παράγοντα g

σχεδιασμένη παγίδα Penning για αποθήκευσημεμονωμένα ιόντα σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο 4 Tesla σε σχεδόν τέλειο κενό. Ως αποτέλεσμα του πειράματος, οι φυσικοί μπόρεσαν να υπολογίσουν την αλλαγή αυτής της ιδιότητας με ακρίβεια έως και 13 ψηφίων.

Όπως ένα φορτισμένο σωματίδιο με σπιν, κάθε ηλεκτρόνιοέχει μαγνητική ροπή, εξηγούν οι επιστήμονες. Αυτός, σαν βελόνα πυξίδας, είναι προσανατολισμένος σε μαγνητικό πεδίο. Η ισχύς αυτής της μαγνητικής ροπής καθορίζεται από τον παράγοντα g. Μια ποσοτική εκτίμηση αυτής της παραμέτρου για ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο προβλέπεται με εξαιρετική ακρίβεια από την κβαντική ηλεκτροδυναμική.

Η μαγνητική ροπή ενός ηλεκτρονίου αλλάζει μόλιςπαύει να είναι ένα «ελεύθερο» σωματίδιο, που εισέρχεται σε αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον, για παράδειγμα, με τον ατομικό πυρήνα. Οι μικροσκοπικές αλλαγές στον παράγοντα g που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης μπορούν να υπολογιστούν με βάση την κβαντική ηλεκτροδυναμική. Τα αποτελέσματα του πειράματος επιβεβαίωσαν τους θεωρητικούς υπολογισμούς.

Σχέδιο του πειράματος. Πηγή: Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg

Στην εργασία τους, οι φυσικοί χρησιμοποίησαν δύο ισότοπανέον: άτομα με 12 και 10 νετρόνια. Οι περιορισμοί των προηγούμενων πειραμάτων συσχετίστηκαν με τις διακυμάνσεις του μαγνητικού πεδίου: οι διαφορετικές επιδράσεις ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου σε διαφορετικά άτομα οδηγούν σε μείωση της ακρίβειας μέτρησης.

Για να ξεπεράσουμε αυτόν τον περιορισμό, στο νέο έργοΟι ερευνητές τοποθέτησαν δύο άτομα ταυτόχρονα στο ίδιο μαγνητικό πεδίο σε συζευγμένη κίνηση. Με μια τέτοια κίνηση, δύο ιόντα περιστρέφονται πάντα μεταξύ τους κατά μήκος μιας κοινής κυκλικής τροχιάς με ακτίνα μόλις 200 μm. Χάρη σε αυτό το φαινόμενο, οι ερευνητές μπόρεσαν να προσδιορίσουν τη διαφορά στους συντελεστές g και των δύο ισοτόπων με ακρίβεια ρεκόρ έως και 13 ψηφίων. Αυτό είναι 100 φορές υψηλότερο από την ποιότητα των προηγούμενων πειραμάτων.

Έχουμε επιβεβαιώσει ότι το ηλεκτρόνιο όντως αλληλεπιδρά με τον ατομικό πυρήνα μέσω της ανταλλαγής φωτονίων, όπως προβλέπεται από την κβαντική ηλεκτροδυναμική.

Zoltan Harman, ερευνητής στο Max Planck Institute for Nuclear Physics και συν-συγγραφέας της εργασίας

Οι φυσικοί σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν τη νέα μέθοδο για μελλοντική έρευνα. Για παράδειγμα, συγκρίσεις ύλης και αντιύλης, καθώς και εξαιρετικά ακριβής προσδιορισμός μιας σειράς άλλων θεμελιωδών σταθερών της τυπικής θεωρίας.

Διαβάστε περισσότερα:

Ο κβαντικός προσομοιωτής έδειξε τη διαίρεση ενός ηλεκτρονίου σε μέρη σε μονοδιάστατο χώρο

Οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει ένα ατομικό λέιζερ που μπορεί να λειτουργεί για πάντα

Δύο πλανήτες που βρέθηκαν όχι μακριά από τη Γη που μοιάζουν πολύ με τον δικό μας