Schemat sprzężonego ruchu kołowego wysoko naładowanej pary jonów Ne wewnątrz pułapki jonowej APLPHATRAP

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.

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.