Электроны являются одними из самых фундаментальных строительных блоков материи, которую мы знаем. Они характеризуются некоторыми очень отличительными свойствами, такими как их отрицательный заряд и наличие очень специфического собственного углового момента, также называемого спином. Как заряженная частица со спином, каждый электрон обладает магнитным моментом, который ориентируется в магнитном поле подобно стрелке компаса. Сила этого магнитного момента, определяемая так называемым g-фактором, может быть с необычайной точностью предсказана квантовой электродинамикой. Этот расчет согласуется с экспериментально измеренным g-фактором с точностью до 12 знаков, что на сегодняшний день является одним из самых точных совпадений теории и эксперимента в физике. Однако магнитный момент электрона изменяется, как только он перестает быть «свободной» частицей, т. е. не подверженной другим воздействиям, а связан, например, с атомным ядром. Небольшие изменения g-фактора можно рассчитать с помощью КЭД, описывающей взаимодействие между электроном и ядром в терминах обмена фотонами. Высокоточные измерения позволяют провести чувствительную проверку этой теории.

«Благодаря нашей работе нам удалось исследовать эти предсказания КЭД с беспрецедентным разрешением и частично впервые», — сообщает руководитель группы Свен Штурм. «Для этого мы рассмотрели разницу в g-факторе для двух изотопов высокозаряженных ионов неона, которые обладают только одним электроном». Они похожи на водород, но с в 10 раз большим ядерным зарядом, что усиливает эффекты КЭД. Изотопы различаются только числом нейтронов в ядре при одинаковом заряде ядер. Исследовались ²⁰ Ne ⁹⁺ и ²² Ne ⁹⁺ с 10 и 12 нейтронами соответственно.

Эксперимент ALPHATRAP в Институте ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге представляет собой специально разработанную ловушку Пеннинга для хранения одиночных ионов в сильном магнитном поле 4 Тесла в почти идеальном вакууме. Целью измерения является определение энергии, необходимой для изменения ориентации «стрелки компаса» (вращения) в магнитном поле. Для этого ищется точная частота необходимого для этого СВЧ-возбуждения. Однако эта частота также зависит от точного значения магнитного поля. Чтобы определить это, исследователи используют движение ионов в ловушке Пеннинга, которое также зависит от магнитного поля.

Несмотря на очень хорошую временную стабильность используемого здесь сверхпроводящего магнита, неизбежные крошечные флуктуации магнитного поля ограничивают предыдущие измерения точностью примерно до 11 знаков.

Идея нового метода заключается в хранении двух сравниваемых ионов ²⁰ Ne ⁹⁺ и ²² Ne ⁹⁺ одновременно в одном и том же магнитном поле в связанном движении. При таком движении два иона всегда вращаются друг против друга по общей круговой траектории с радиусом всего 200 микрометров», — объясняет Фабиан Хейссе, постдоктор эксперимента ALPHATRAP.

В результате флуктуации магнитного поля оказывают практически одинаковое воздействие на оба изотопа, так что влияние на различие искомых энергий отсутствует. В сочетании с измеренным магнитным полем исследователи смогли определить разницу g-факторов обоих изотопов с рекордной точностью до 13 знаков, что является улучшением в 100 раз по сравнению с предыдущими измерениями и, таким образом, наиболее точным сравнением двух g. -факторы во всем мире. Достигнутое здесь разрешение можно проиллюстрировать следующим образом: если бы вместо g-фактора исследователи измерили с такой точностью самую высокую гору Германии, Цугшпитце, они смогли бы распознать отдельные дополнительные атомы на вершине по высоте гора.

Теоретические расчеты были выполнены с аналогичной точностью в отделе Кристофа Кейтеля в МПИК. «По сравнению с новыми экспериментальными значениями мы подтвердили, что электрон действительно взаимодействует с атомным ядром посредством обмена фотонами, как это и предсказывает КЭД», — объясняет руководитель группы Золтан Харман. Теперь это было решено и впервые успешно проверено с помощью разностных измерений двух изотопов неона. В качестве альтернативы, если предположить, что результаты КЭД известны, исследование позволяет определить ядерные радиусы изотопов более точно, чем это было возможно ранее, в 10 раз.

«И наоборот, согласие между результатами теории и эксперимента позволяет нам ограничивать новую физику за пределами известной стандартной модели, такой как сила взаимодействия иона с темной материей », — утверждает постдоктор Винсент Дебьер.

«В будущем представленный здесь метод может позволить провести ряд новых и захватывающих экспериментов, таких как прямое сравнение материи и антиматерии или сверхточное определение фундаментальных констант», — утверждает первый автор доктор Тим Сейлер.