Les physiciens mesurent les effets électrodynamiques quantiques avec une précision sans précédent

Des scientifiques de l'Institut Max Planck de physique nucléaire ont utilisé spécialement pour mesurer le facteur g

Piège Penning conçu pour le stockagedes ions simples dans un champ magnétique puissant de 4 Tesla dans un vide presque parfait. À la suite de l’expérience, les physiciens ont pu calculer la modification de cette propriété avec une précision allant jusqu’à 13 chiffres.

Comme une particule chargée de spin, chaque électrona un moment magnétique, expliquent les scientifiques. Lui, comme une aiguille de boussole, est orienté dans un champ magnétique. La force de ce moment magnétique est déterminée par le facteur g. Une estimation quantitative de ce paramètre pour un électron libre est prédite avec une précision extraordinaire par l'électrodynamique quantique.

Le moment magnétique d'un électron change dès queil cesse d'être une particule "libre", entrant en interaction avec l'environnement, par exemple avec le noyau atomique. Les minuscules changements du facteur g qui se produisent pendant l'interaction peuvent être calculés sur la base de l'électrodynamique quantique. Les résultats de l'expérience ont confirmé les calculs théoriques.

Schéma de l'expérience. Source : Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg

Dans leur travail, les physiciens ont utilisé deux isotopesnéon : atomes à 12 et 10 neutrons. Les limites des expériences précédentes étaient associées aux fluctuations du champ magnétique : différents effets d'un champ magnétique externe sur différents atomes entraînent une diminution de la précision des mesures.

Pour contourner cette limitation, dans le nouvel ouvrageles chercheurs ont placé deux atomes simultanément dans le même champ magnétique en mouvement couplé. Avec un tel mouvement, deux ions tournent toujours l'un contre l'autre le long d'une trajectoire circulaire commune avec un rayon de seulement 200 μm. Grâce à cet effet, les chercheurs ont pu déterminer la différence entre les facteurs g des deux isotopes avec une précision record allant jusqu'à 13 chiffres. C'est 100 fois plus élevé que la qualité des expériences précédentes.

Nous avons confirmé que l'électron interagit bien avec le noyau atomique par l'échange de photons, comme le prédit l'électrodynamique quantique.

Zoltan Harman, chercheur à l'Institut Max Planck de physique nucléaire et co-auteur de l'article

Les physiciens prévoient d'utiliser la nouvelle méthode pour de futures recherches. Par exemple, des comparaisons de matière et d'antimatière, ainsi que la détermination ultra-précise d'un certain nombre d'autres constantes fondamentales de la théorie standard.

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