Ученые проверили квантовую электродинамику более точно, чем когда-либо прежде

Каждый электрон имеет магнитный момент, который располагается в магнитное поле. Сила этого магнитного момента, определяемая так называемым g-фактором, может быть с необычайной точностью предсказана квантовой электродинамикой. При изучении различий между изотопами многие из общих вкладов КЭД аннулируются из-за идентичной электронной конфигурации, что позволяет решить сложные эффекты, вызванные ядерными различиями. Однако экспериментально это быстро становится ограниченным, особенно из-за точности ионных масс или стабильности магнитного поля.

Ученые из Института ядерной физики им. Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге сообщили о новом методе измерения, который преодолевает эти ограничения. Используя свою технику, они измерили очень маленькую разницу в магнитных свойствах двух сильно заряженных изотопов неона в ионной ловушке с недостижимой ранее точностью.

Руководитель группы Свен Сторм сказал: «Благодаря нашей работе нам удалось исследовать эти предсказания КЭД с беспрецедентной точностью, отчасти впервые. Для этого мы рассмотрели разницу в g-факторе для двух изотопов высокозаряженных ионов неона, обладающих только один электрон».

В этом исследовании ученые использовали два изотопа: 20Ne9+ и 22Ne9+. Оба изотопа отличаются только количеством нейтроны в ядре, но имеют одинаковый ядерный заряд. У них 10 и 12 нейтронов соответственно.

Специально изготовленная ловушка Пеннинга используется в эксперименте ALPHATRAP в Институт Макса Планка Для Гейдельбергской ядерной физики хранить отдельные ионы в сильном магнитном поле силой 4 Тесла в почти идеальном вакууме. Цель эксперимента — выяснить, сколько энергии нужно, чтобы перевернуть «стрелку компаса» в магнитном поле.

Для этого требуется точная частота микроволнового возбуждения, которая зависит от точного значения магнитного поля. Ученые определили это, используя движение ионов в ловушке Пеннинга, которое также зависит от магнитного поля.

Несмотря на превосходную временную стабильность сверхпроводящих магнитов, небольшие неизбежные различия в магнитном поле ограничивают точность предыдущих наблюдений почти 11 знаками.

Фабиан Хейссе, постдок в исследовании ALPHATRAP, сказал: Идея нового метода заключается в хранении сравниваемых ионов 20Ne9+ и 22Ne9+ в одном и том же магнитном поле в двойном движении. При таком движении два иона всегда вращаются друг против друга по общей круговой траектории с радиусом всего 200 микрометров».

В результате изменения магнитного поля почти одинаково влияют на оба изотопа, а это означает, что разница в желаемых энергиях не влияет. Ученые также определили разницу в g-факторах для обоих изотопов со стандартной точностью 13 в сочетании с измеренным магнитным полем, что в 100 раз лучше предыдущих измерений и, таким образом, является самым точным в мире сравнением двух g-факторов.

Достигнутую здесь точность можно проиллюстрировать следующим образом: если вместо g-фактора ученые измерят с такой точностью самую высокую гору Германии, Цугшпитце, они смогут отождествить дополнительные отдельные атомы на вершине с высотой горы.

Руководитель группы Золтан Хаарманн сказал: «Сравняв с новыми экспериментальными значениями, мы подтвердили, что электрон действительно взаимодействует с атомным ядром посредством обмена фотонами, как и предсказывает КЭД. Теперь это было решено и впервые успешно проверено различными измерениями на двух изотопах. Вместо этого, предполагая, что результаты КЭД известны, исследование позволяет определить ядерный радиус изотопов с большей точностью, чем это было возможно ранее, в 10 раз».

Постдокторский исследователь Винсент Депьер сказал: Напротив, согласие между результатами теории и эксперимента позволяет нам ограничивать новую физику сверх того, что известно. Стандартная форматаких как сила взаимодействия иона с темная материя. «

Первый автор Др. Тим Селлер Он сказалИ «В будущем представленный здесь метод может позволить провести множество новых и захватывающих экспериментов, таких как прямое сравнение материи и антиматерии или очень точное определение фундаментальных констант».

Ссылка на журнал:

1. Тим Сайлер и др. , Измерение разницы g-фактора, связанного с электронами, в спаренных ионах, Nature (2022). DOI: 10.1038/с41586-022-04807-в