Usynlige heliumatomer giver en udsøgt følsom test af fundamental teori

Fysikere ved Australian National University har udviklet den mest følsomme metode nogensinde til at måle et atoms potentielle energi (inden for en hundrededel af en decilliontedel af en joule – eller 10 ^-35 joule), og brugte den til at validere en af ​​de mest testede teorier i fysik - kvanteelektrodynamik (QED).

Forskningen blev offentliggjort i denne uge i Science er afhængig af at finde farven på laserlys, hvor et heliumatom er usynligt, og er en uafhængig bekræftelse af tidligere metoder, der er brugt til at teste QED, som har involveret måling af overgange fra en atomenergitilstand til en anden.

"Denne usynlighed er kun for et bestemt atom og en bestemt lysfarve - så den kunne ikke bruges til at lave en usynlighedskappe, som Harry Potter ville bruge til at undersøge mørke hjørner på Hogwarts," sagde hovedforfatter, Bryce Henson, en Ph. .D. studerende ved ANU Research School of Physics.

"Men vi var i stand til at bruge til at undersøge nogle mørke hjørner af QED-teorien."

"Vi håbede på at fange QED ud, for der har været nogle tidligere uoverensstemmelser mellem teori og eksperimenter, men det bestod med en ret god karakter."

Quantum Electrodynamics, eller QED, blev udviklet i slutningen af ​​1940'erne og beskriver, hvordan lys og stof interagerer, og inkorporerer både kvantemekanik og Einsteins specielle relativitetsteori på en måde, der har været vellykket i næsten firs år.

Antydninger af, at QED-teorien trængte til en vis forbedring, kom fra uoverensstemmelser i målinger af protonens størrelse, som for det meste blev løst i 2019.

Omkring dette tidspunkt ANU Ph.D. Forsker Bryce Henson bemærkede små svingninger i et meget følsomt eksperiment, han udførte på en ultrakold sky af atomer kendt som et Bose-Einstein-kondensat.

Han målte frekvensen af ​​oscillationerne med rekordpræcision og fandt ud af, at interaktioner mellem atomerne og laserlyset ændrede frekvensen, da laserfarven var varieret.

Han indså, at denne effekt kunne udnyttes til meget præcist at bestemme den præcise farve, hvorved atomerne slet ikke interagerer med laseren, og oscillationen forblev uændret – med andre ord faktisk at blive usynlig.

Med kombinationen af ​​en ekstremt høj opløsning laser og atomer afkølet til 80 milliardtedele af en grad over det absolutte nulpunkt (80 nanokelvin) opnåede holdet en følsomhed i deres energimålinger, der var 5 størrelsesordener mindre end atomernes energi, omkring 10 ^–35 joule eller en temperaturforskel på omkring 10 ^-13 af en grad kelvin.

"Det er så lille, at jeg ikke kan komme i tanke om noget fænomen at sammenligne det med - det er så langt væk fra enden af ​​skalaen," sagde hr. Henson.

Med disse målinger var holdet i stand til at udlede meget præcise værdier for heliums usynlighedsfarve. For at sammenligne deres resultater med teoretiske forudsigelser for QED henvendte de sig til professor Li-Yan Tang fra det kinesiske videnskabsakademi i Wuhan og professor Gordon Drake fra University of Windsor i Canada.

Tidligere beregninger med QED havde mindre usikkerhed end eksperimenterne, men med den nye eksperimentelle teknik, der forbedrede nøjagtigheden med en faktor på 20, måtte teoretikerne tage udfordringen op og forbedre deres beregninger.

I denne søgen var de mere end succesrige - de forbedrede deres usikkerhed til blot 1/40 af den seneste eksperimentelle usikkerhed og fremhævede QED-bidraget til atomets usynlighedsfrekvens, som var 30 gange større end eksperimentets usikkerhed. Den teoretiske værdi var kun lidt lavere end den eksperimentelle værdi med 1,7 gange den eksperimentelle usikkerhed.

Leder af det internationale samarbejde, professor Ken Baldwin fra ANU Research School of Physics, sagde, at forbedringer af eksperimentet kunne hjælpe med at løse uoverensstemmelsen, men også ville finpudse et ekstraordinært værktøj, der kunne belyse QED og andre teorier.

"Nye værktøjer til præcisionsmålinger driver ofte store ændringer i teoretisk forståelse ned ad sporet," sagde professor Baldwin. + Udforsk yderligere

JILA atomure måler Einsteins generelle relativitetsteori i millimeterskala