Kvanteelektrodynamik testet 100 gange mere præcist end nogensinde

Ved hjælp af en nyudviklet teknik har forskere ved Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) i Heidelberg målt den meget lille forskel i de magnetiske egenskaber af to isotoper af højt ladet neon i en ionfælde med tidligere utilgængelig nøjagtighed. Sammenligning med lige så ekstremt præcise teoretiske beregninger af denne forskel muliggør en test på rekordniveau af kvanteelektrodynamik (QED). Overensstemmelsen mellem resultaterne er en imponerende bekræftelse af standardmodellen for fysik, der tillader konklusioner vedrørende kernernes egenskaber og sætter grænser for ny fysik og mørkt stof.

Elektroner er nogle af de mest grundlæggende byggesten i den sag, vi kender. De er karakteriseret ved nogle meget karakteristiske egenskaber, såsom deres negative ladning og eksistensen af ​​et meget specifikt indre vinkelmoment, også kaldet spin. Som en ladet partikel med spin har hver elektron et magnetisk moment, der retter sig ind i et magnetfelt, der ligner en kompasnål. Styrken af ​​dette magnetiske moment, givet af den såkaldte g-faktor, kan forudsiges med ekstraordinær nøjagtighed ved kvanteelektrodynamik. Denne beregning stemmer overens med den eksperimentelt målte g-faktor inden for 12 cifre, en af ​​de mest præcise matcher mellem teori og eksperiment i fysik til dato. Imidlertid ændrer elektronens magnetiske moment sig, så snart den ikke længere er en "fri" partikel, altså upåvirket af andre påvirkninger, men i stedet er bundet til f.eks. en atomkerne. De små ændringer af g-faktoren kan beregnes ved hjælp af QED, som beskriver samspillet mellem elektron og kerne i form af en udveksling af fotoner. Højpræcisionsmålinger muliggør en følsom test af denne teori.

"Med vores arbejde er det nu lykkedes os at undersøge disse QED-forudsigelser med hidtil uset opløsning, og delvist for første gang," rapporterer gruppeleder Sven Sturm. "For at gøre dette så vi på forskellen i g-faktoren for to isotoper af højt ladede neonioner, der kun besidder en enkelt elektron." Disse ligner brint, men med 10 gange højere nuklear ladning, hvilket forstærker QED-effekterne. Isotoper adskiller sig kun i antallet af neutroner i kernen, når kerneladningen er den samme. ²⁰ Ne ⁹⁺ og ²² Ne ⁹⁺ med henholdsvis 10 og 12 neutroner blev undersøgt.

ALPHATRAP-eksperimentet ved Max Planck Instituttet for Kernefysik i Heidelberg giver en specialdesignet Penning-fælde til at lagre enkelte ioner i et stærkt magnetfelt på 4 Tesla i et næsten perfekt vakuum. Målet med målingen er at bestemme den energi, der er nødvendig for at vende orienteringen af ​​"kompasnålen" (spin) i magnetfeltet. For at gøre dette søges den nøjagtige frekvens af den mikrobølge-excitation, der kræves til dette formål. Denne frekvens afhænger dog også af den nøjagtige værdi af magnetfeltet. For at fastslå dette udnytter forskerne ionernes bevægelse i Penning-fælden, som også afhænger af magnetfeltet.

På trods af den meget gode tidsmæssige stabilitet af den superledende magnet, der bruges her, begrænser uundgåelige små udsving i magnetfeltet tidligere målinger til omkring 11 cifres nøjagtighed.

Ideen med den nye metode er at lagre de to ioner, der skal sammenlignes, ²⁰ Ne ⁹⁺ og ²² Ne ⁹⁺ samtidigt i det samme magnetfelt i en koblet bevægelse. I en sådan bevægelse roterer de to ioner altid modsat hinanden på en fælles cirkulær bane med en radius på kun 200 mikrometer," forklarer Fabian Heiße, Postdoc ved ALPHATRAP-eksperimentet.

Som følge heraf har magnetfeltets udsving praktisk talt identiske virkninger på begge isotoper, så der er ingen indflydelse på forskellen mellem de energier, der søges efter. Kombineret med det målte magnetfelt var forskerne i stand til at bestemme forskellen på begge isotopers g-faktorer med rekordnøjagtighed til 13 cifre, en forbedring med en faktor på 100 i forhold til tidligere målinger og dermed den mest nøjagtige sammenligning af to g. -faktorer på verdensplan. Den her opnåede opløsning kan illustreres som følger:Hvis forskerne i stedet for g-faktoren havde målt Tysklands højeste bjerg, Zugspitze, med en sådan præcision, ville de være i stand til at genkende individuelle yderligere atomer på toppen af ​​højden af bjerget.

De teoretiske beregninger er udført med tilsvarende nøjagtighed i Christoph Keitels afdeling på MPIK. "I sammenligning med de nye eksperimentelle værdier bekræftede vi, at elektronen faktisk interagerer med atomkernen via udveksling af fotoner, som forudsagt af QED," forklarer gruppeleder Zoltán Harman. Dette er nu blevet løst og med succes testet for første gang ved forskelsmålingerne på de to neonisotoper. Alternativt, forudsat at QED-resultaterne er kendte, gør undersøgelsen det muligt at bestemme isotopernes nukleare radier mere præcist end tidligere muligt med en faktor 10.

"Omvendt giver overensstemmelsen mellem resultaterne af teori og eksperimenter os mulighed for at begrænse ny fysik ud over den kendte standardmodel, såsom styrken af ​​ionens interaktion med mørkt stof," siger postdoc Vincent Debierre.

"I fremtiden vil metoden, der præsenteres her, kunne give mulighed for en række nye og spændende eksperimenter, såsom den direkte sammenligning af stof og antistof eller den ultrapræcise bestemmelse af fundamentale konstanter," siger førsteforfatter Dr. Tim Sailer. + Udforsk yderligere

Undersøgelse af de magnetiske egenskaber af helium-3