Naukowcy z MPIK przedstawiają nowe wyniki eksperymentalne i teoretyczne dla związanego współczynnika G w cynie litowej, która ma znacznie wyższy ładunek jądrowy niż jakikolwiek poprzedni pomiar. Dokładność eksperymentalna osiągnęła poziom 0,5 części na miliard. Stosując ulepszoną metodę interrelektroniczną QED, teoretyczna prognoza dla współczynnika G osiągnęła precyzję 6 części na miliard.
Elektrodynamika kwantowa – konkurencja o precyzję
Elektrodynamika kwantowa (QED) to podstawowa teoria opisująca wszystkie zjawiska elektromagnetyczne, w tym światło (fotony). Jednocześnie jest to w ogóle najlepiej testowana teoria fizyki. Został dokładnie przetestowany na różne sposoby do 0,1 części na miliard. Ale to tylko siła tej teorii, która zachęca fizyków do przetestowania jej jeszcze bardziej rygorystycznego i zbadania jej możliwych granic. Wszelkie znaczące odchylenie byłoby wskazówką dla nowej fizyki.
QED rozumie interakcję elektromagnetyczną między naładowanymi cząstkami jako wymianę „wirtualnych” fotonów – sposobu, w jaki elektrony w atomie „rozmawiają ze sobą i z jądrem – i ze sobą poprzez emisję i wchłanianie fotonu, qed efekt zwany„ energią własną ”. Ponadto okazało się, że próżnia fizyczna nie jest pusta, ale wypełniona wirtualnymi cząsteczkami, takimi jak pary elektronowo-pozytywne, które cały czas pojawiają się „z niczego”, ale muszą zniknąć w granicach ustalonych przez zasadę niepewności fizyki kwantowej. Chociaż może to zabrzmieć strasznie, jest to tylko sposób na wyjaśnienie fizyki eksperymentów przeprowadzonych w fizyce atomowej już w latach 40. XX wieku.
Najnowocześniejszy dostęp do zjawisk QED to tak zwany czynnik G elektronu, który opisuje związek jego mechaniki (wewnętrzny pęd kątowy: spin) i właściwości magnetyczne. Zgodnie z teorią Diac (relatywistyczną mechanikę kwantową) współczynnik G wolnego elektronu powinien wynosić dokładnie 2. Jednak różne interakcje QED zmieniają współczynnik G i prowadzą do małego, ale precyzyjnie wymiernego odchylenia od wartości 2. QED Efekty zależą w silnym nieliniowym sposobie od pól zewnętrznych. Elektrony doświadczają wyjątkowo wysokiego pola elektrycznego ze względu na wysoki ładunek jądrowy w ciężkich pierwiastkach. Najprostsze systemy to wysoce naładowane jony wodorowe, które zostały zbadane zarówno teoretycznie, jak i eksperymentalnie z wielkim sukcesem [1].
We wspólnej współpracy eksperymentalno-teoretycznej naukowcy z Max Planck Institute for Nuclear Physics w Heidelberg zbadali obecnie współczynnik G zewnętrznego elektronu w cynie litowej. Ten system jest podobny do wodoru, ale dodaje interakcję z dwoma szczelnie związanymi elektronami wewnętrznej powłoki atomowej.
Teoria: obliczenia ab initio qed
Obliczanie ab initio uwzględnia wszystkie interakcje elektromagnetyczne między składnikami – tutaj jonu litowego – na poziomie podstawowym, w tym efekty QED do pewnego stopnia. Efekty struktury elektronów, w których elektrony wymieniają fotony do obliczeń, a także efekty przesiewowe QED, w których elektron oddziałuje zarówno z innymi elektronami i z sobą, jak i z próżnią. Prognozowanie ab initio zostało dodatkowo ulepszone, stosując dwumiejscowy udział QED wyodrębniony z ostatniego pomiaru w cyny wodorowej [33] skalowane do litowo-podobnego elektronu. To daje „eksperymentalnie wzmocnioną” teoretyczną prognozę
GTH = 1,980 354 797 (12)
z niepewnością podaną w nawiasach. W porównaniu z przypadkiem wodoru, jest to ogólnie 25-krotna poprawa.
Eksperyment: liczenie odwrotu spinów
Pomiar współczynnika G związanego elektronu przeprowadzono za pomocą kriogenicznej pułapki pułapki w MPIK. Silne pole magnetyczne wewnątrz pułapki prowadzi do charakterystycznego ruchu jonu ograniczonego przez pole, a także do precesji spinu zewnętrznego elektronu jak maleńki magnetyczny przędze. Współczynnik G można wyodrębnić ze stosunku częstotliwości ruchowej jonu i częstotliwości precesji, podczas gdy pole magnetyczne jest eliminowane z tego obliczeń. Ruch jonów można wykryć bezpośrednio z małych indukowanych sygnałów elektrycznych w elektrodach pułapki „precyzyjnej pułapki”. Aby określić częstotliwość precesji, promieniowanie mikrofalowe jest wysyłane do pułapki, która może indukować odwrócenie wirowania, zmiana orientacji spinu (z powodu kwantyzacji istnieją tylko dwa mierzalne stany spinowe „w górę” i „w dół”). Szybkość spinów osiąga maksimum, gdy mikrofalówka dopasowuje się do częstotliwości precesji.
Wyniki i perspektywy
Wartość eksperymentalna dla współczynnika G litowego jonu cyny wynosi
GEXP = 1,980 354 799 750 (84) STAT (54) SYS (944) Ext
z statystyczną, systematycznymi i zewnętrznymi niepewnościami podawanymi w nawiasach. Zewnętrzne niepewności są zdominowane przez niepewność masy jonowej, ograniczając obecnie dokładność eksperymentalną. Ogólna dokładność wynosi 0,5 części na miliard. Wynik eksperymentalny dobrze zgadza się z teoretyczną prognozą podaną powyżej w ramach niepewności obliczeń. Po stronie eksperymentalnej można poprawić precyzję wartości masy o więcej niż rząd wielkości, a w konsekwencji zwiększenie precyzji współczynnika G, jeżeli motywuje to postępy teoretyczne. W przyszłości pomiary cięższych systemów litowych, takich jak 208pb79+ i oczekiwany postęp w obliczeniach dwupiętrowej QED, zapewnią jeszcze lepsze testy w silnym systemie pola elektrycznego przy użyciu wysoce naładowanych jonów. Opracowane tutaj zaawansowane metody teoretyczne dla interrelektronicznych efektów QED można zastosować do obliczeń czynników G bardziej złożonych jonów (podobnych do boru lub węgla), parytety nie-konserwatorów w atomach neutralnych i innych efektach.