Najdokładniejszy test elektrodynamiki kwantowej w historii fizyki. Wyniki są zgodne z modelem standardowym

Fizykom udało się zmierzyć z niedostępną wcześniej dokładnością różnicę we właściwościach magnetycznych dwóch izotopów silnie naładowanego neonu. Dzięki temu przeprowadzono rekordowy test elektrodynamiki kwantowej – wyniki są zgodne z przewidywaniami modelu standardowego.
Schemat sprzężonego ruchu kołowego wysoko naładowanej pary jonów Ne wewnątrz pułapki jonowej APLPHATRAP
Schemat sprzężonego ruchu kołowego wysoko naładowanej pary jonów Ne wewnątrz pułapki jonowej APLPHATRAP

Elektrony są jednymi z najbardziej podstawowych składników materii, obdarzonymi specyficznymi właściwościami, m.in. spinem (wewnętrzny moment pędu). Siła spinu określana przez tzw. współczynnik rozszczepienia g może być określana z dużą dokładnością przez elektrodynamikę kwantową (QED), czyli kwantową teorię pola, która opisuje oddziaływania elektromagnetyczne. Teraz naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej Maksa Plancka (MPIK) w Heidelbergu zmierzyli współczynnik g z dokładnością do 12 cyfr, co stanowi jeden z najprecyzyjniejszych pomiarów w fizyce.

Dzięki naszej pracy udało nam się zbadać przewidywania QED z niespotykaną dotąd rozdzielczością, a częściowo po raz pierwszy. Aby to zrobić, przyjrzeliśmy się różnicy we współczynniku g dla dwóch izotopów wysoko naładowanych jonów neonu, które posiadają tylko jeden elektron. Są one podobne do wodoru, ale mają 10-krotnie większy ładunek jądrowy, co potęguje efekty QED.Sven Sturm z Instytutu Fizyki Jądrowej Maksa Plancka, szef zespołu badawczego

Warto nadmienić, że izotopy różnią się tylko liczbą neutronów w jądrze, a ładunek jądrowy jest taki sam. Badano izotopy 20Ne9+ i 22Ne9+ z odpowiednio 10 i 12 neutronami.

Pułapka na elektrony

Fizycy wykorzystali specjalnie zaprojektowaną pułapkę Penninga do przechowywania pojedynczych jonów w silnym polu magnetycznym o indukcji rzędu 4 tesli w niemal doskonałej próżni. Celem pomiaru było określenie energii niezbędnej do zmiany orientacji spinu w polu magnetycznym. Eksperyment nazwano ALPHATRAP.

Dwa porównywane jony – 20Ne9+ i 22Ne9+ – przechowuje się jednocześnie w tym samym polu magnetycznym w ruchu sprzężonym. W takim ruchu oba jony zawsze obracają się naprzeciwko siebie po wspólnej kołowej ścieżce o promieniu zaledwie 200 mikrometrów.Fabian Heiße, doktorant w eksperymencie ALPHATRAP

Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać

W praktyce oznacza to, że wszelkie fluktuacje (drobne zmiany) pola magnetycznego mają niemal identyczny wpływ na oba izotopy. Dzięki temu naukowcy byli w stanie wyznaczyć różnicę współczynników obu izotopów z rekordową dokładnością do 13 cyfr. Dotychczasowe pomiary, mimo licznych starań, oferowały dokładność na poziomie 11 cyfr.

W porównaniu z nowymi wartościami doświadczalnymi potwierdziliśmy, że elektron rzeczywiście oddziałuje z jądrem atomowym poprzez wymianę fotonów, tak jak przewiduje to QED.Zoltán Harman, kierownik grupy fizyków

Zakładając, że wyniki QED są znane, badanie pozwala określić promienie jądrowe izotopów z dziesięciokrotnie większą dokładnością niż było to dotychczas możliwe.