Fizycy mierzą kwantowe efekty elektrodynamiczne z niespotykaną dotąd dokładnością

Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej Maxa Plancka wykorzystali go specjalnie do pomiaru współczynnika g

zaprojektowana pułapka Penninga do przechowywaniapojedyncze jony w silnym polu magnetycznym o natężeniu 4 Tesli w niemal doskonałej próżni. W wyniku eksperymentu fizycy byli w stanie obliczyć zmianę tej właściwości z dokładnością do 13 cyfr.

Jak naładowana cząstka ze spinem, każdy elektronma moment magnetyczny, wyjaśniają naukowcy. On, jak igła kompasu, jest zorientowany w polu magnetycznym. Siła tego momentu magnetycznego jest określona przez współczynnik g. Ilościowe oszacowanie tego parametru dla wolnego elektronu jest przewidywane z niezwykłą dokładnością przez elektrodynamikę kwantową.

Moment magnetyczny elektronu zmienia się, gdyprzestaje być „wolną” cząstką, wchodzącą w interakcje z otoczeniem, na przykład z jądrem atomowym. Niewielkie zmiany współczynnika g zachodzące podczas interakcji można obliczyć na podstawie elektrodynamiki kwantowej. Wyniki eksperymentu potwierdziły obliczenia teoretyczne.

Schemat eksperymentu. Źródło: Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg

W swojej pracy fizycy wykorzystali dwa izotopyneon: atomy z 12 i 10 neutronami. Ograniczenia poprzednich eksperymentów były związane z fluktuacjami pola magnetycznego: różne efekty zewnętrznego pola magnetycznego na różne atomy prowadzą do zmniejszenia dokładności pomiaru.

Aby obejść to ograniczenie, w nowej pracynaukowcy umieścili dwa atomy jednocześnie w tym samym polu magnetycznym w sprzężonym ruchu. Przy takim ruchu dwa jony zawsze obracają się względem siebie po wspólnej kołowej trajektorii o promieniu zaledwie 200 μm. Dzięki temu efektowi naukowcy byli w stanie określić różnicę w g-czynnikach obu izotopów z rekordową dokładnością do 13 cyfr. To 100 razy więcej niż jakość poprzednich eksperymentów.

Potwierdziliśmy, że elektron rzeczywiście oddziałuje z jądrem atomowym poprzez wymianę fotonów, jak przewiduje elektrodynamika kwantowa.

Zoltan Harman, badacz w Instytucie Maxa Plancka Fizyki Jądrowej i współautor artykułu

Fizycy planują wykorzystać nową metodę do przyszłych badań. Na przykład porównania materii i antymaterii, a także ultraprecyzyjne wyznaczenie szeregu innych stałych fundamentalnych teorii standardowej.

Czytaj więcej:

Symulator kwantowy pokazał podział elektronu na części w przestrzeni jednowymiarowej

Fizycy stworzyli laser atomowy, który może działać w nieskończoność

Dwie planety znalezione niedaleko Ziemi, które są bardzo podobne do naszej