Точная проверка квантовой электродинамики при измерении g-фактора электронов в водородоподобном олове
Учёным удалось получить водородоподобные ионы олова и хранить их в течение нескольких месяцев в ионной ловушке Alphatrap. Благодаря длительному времени хранения получилось измерить магнитный момент с беспрецедентной точностью. Водородоподобное олово имеет в своей оболочке только один электрон, как и обычный водород. Однако ядро атома олова имеет 50 протонов, а нейтральный элемент состоит из 50 электронов в своей оболочке. Используя ионную ловушку электронного пучка Heidelberg-EBIT, которая представляет собой устройство для генерации высокозаряженных ионов, физикам пришлось удалить 49 электронов. В экспериментальной установке, состоящей примерно из 100 000 ионов олова, бомбардируется электронами высокой энергии. При этом ионы последовательно теряют связанные электроны. После этого ионы, у которых в оболочке остался только один электрон, фильтруются и подаются в ловушку частиц эксперимента Alphatrap, где измеряются магнитные свойства электронов.
Экспериментальная установка для получения, улавливания и обнаружения водородоподобного 118Sn49+ .
a — Высокозаряженные ионы производятся в Гейдельбергской установке EBIT. С помощью канала комнатной температуры ионы транспортируются в магнит АЛЬФАТРАП.
b — Криоклапан позволяет поддерживать сверхвысокий вакуум внутри ловушки.
c — «Стек ловушек» экспериментальной установки. Ионы улавливаются в секции захвата путем подачи импульсного напряжения в тот момент, когда ионы находятся в ловушке. Ниже представлена прецизионная ловушка — семиэлектродная ловушка, в которой отношение частот Γ0 = νL/νc измеряется. Детектор тока изображения используется для регистрации движения частиц в ловушке. Напряжение, приложенное к центральному электроду, составляет около -59 В. В нижней части стопки ловушек расположена ловушка для анализа, которая имеет сильную магнитную бутылку, позволяющую обнаруживать спиновое состояние связанного электрона.
d — Фурье-спектр детектора тока изображения с резонансной частицей 118Sn49+ . Подбор этого «провала» дает осевую частоту частицы.
e — Изменение осевой частоты (около 300 мГц) после переворота спина электрона микроволновым облучением на ларморовской частоте.
Фото: Природа (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06453-2
Квантовая электродинамика — наиболее проверенная теория в физике. Он описывает все электрические и магнитные взаимодействия света и материи. Ученые из Института Керн физики Макса Планка в Гейдельберге (MPIK) теперь использовали точные измерения в своем эксперименте Alphatrap для исследования магнитных свойств электронов, связанных с высоко ионизированными атомами олова. Такие тесты дают представление о поведении частиц в условиях экстремальной напряженности поля. Они также служат отправной точкой для поиска новой физики.
Как и другие заряженные элементарные частицы, электрон обладает магнитным моментом. Его точное значение является одним из наиболее точных известных измерений в физике и находится в прекрасном согласии с теоретическими предсказаниями квантовой электродинамики. Теория и эксперимент согласуются более чем с точностью до десяти десятичных знаков. Однако эти значения применимы только к «свободному» электрону, не подверженному воздействию внешних полей.
Но особенно в случае очень сильных полей, например тех, которые присутствуют в непосредственной близости от атомных ядер, могут вступить в действие дополнительные факторы, такие как ранее неизвестные элементарные частицы или отклонения от известных законов природы.
Исследовательская группа, объединяющая ученых из нескольких подразделений МПИК, достигла здесь важной вехи. «Нам удалось получить водородоподобные ионы олова и хранить их в течение нескольких месяцев в ионной ловушке Alphatrap», — говорит Джонатан Моргнер, первый автор нового исследования и доктор философии, студент отделения профессора Клауса Блаума. Эксперимент возглавляет Свен Штурм, а расчеты выполнила теоретическая группа под руководством Золтана Хармана из подразделения Кристофа Кейтеля.
Моргнер продолжает: «Благодаря длительному времени хранения мы смогли измерить магнитный момент с беспрецедентной точностью». Исследование появилось в журнале Nature.
Водородоподобное олово имеет в своей оболочке только один электрон, как и обычный водород. Однако ядро атома олова имеет 50 протонов, а нейтральный элемент состоит из 50 электронов в своей оболочке. «Итак, сначала нам пришлось удалить 49 электронов», — говорит Моргнер. «Для достижения этой цели мы использовали ионную ловушку электронного пучка Heidelberg-EBIT, которая представляет собой устройство для генерации высокозаряженных ионов, разработанное Хосе Креспо Лопесом-Уррутией из подразделения Томаса Пфайфера».
В этой экспериментальной установке облако, состоящее примерно из 100 000 ионов олова, бомбардируется электронами высокой энергии. При этом ионы последовательно теряют связанные электроны. После этого ионы, у которых в оболочке остался только один электрон, фильтруются и подаются в ловушку частиц эксперимента Alphatrap. Там измеряются магнитные свойства электронов.
Альфаловушка — это высокоточный эксперимент, суть которого — ловушка Пеннинга, в которой заряженные частицы удерживаются на месте с помощью электромагнитных полей. Он также оснащен криогенной вакуумной системой, которая использует низкие температуры для создания чрезвычайно хорошего вакуума. Это необходимо, поскольку сильно заряженные ионы олова немедленно приобретут электроны у любых окружающих атомов. Это сделало бы невозможными долгосрочные измерения. Кроме того, получение водородоподобного олова очень трудоемко.
Затем исследователи смогли измерить так называемый g-фактор электрона на захваченных ионах олова с помощью облученных микроволнами. На частоте согласования электроны в приложенном магнитном поле ловушки совершают так называемые перевороты спина, т. е. переориентацию своей «магнитной иглы». Этот эффект позволяет с высокой точностью измерить g-фактор, также называемый «гиромагнитным фактором». Это мера того, насколько сильно магнитное поле электрона.
Безразмерное значение g-фактора составляет около 2. Точное значение может быть предсказано квантовой электродинамикой и зависит от окружения электрона. И здесь в игру вступают сильно заряженные ионы олова. Поскольку у них только один электрон, теоретически их можно описать аналогично атому водорода.
Это значительно упрощает расчеты. Однако из-за высокого заряда ядра олова в месте расположения электрона вокруг атомного ядра присутствуют чрезвычайно сильные электрические поля величиной около 10–15 вольт на сантиметр. Эта напряженность поля на порядки превышает ту, которую можно реализовать сегодня даже с помощью самых мощных лазерных систем в любых экспериментах. Таким образом, такие атомные ядра идеально подходят для проверки предсказаний квантовой электродинамики, особенно в режиме сильного поля, т. е. в экстремальных условиях.
Сложные расчеты теоретического значения g-фактора в сильных полях дают несколько менее точные предсказания, чем для свободного электрона, из-за дополнительного взаимодействия с ядром. По теории коэффициент g должен составлять g тео = 1,910 561 821 (299). Экспериментальная величина, измеренная в аппарате Alphatrap, имеет гораздо более высокую точность и составляет g exp = 1,910 562 058 962 (73) stat (42) sys (910) ext.
«Эти два значения очень хорошо согласуются, так что это отличное подтверждение квантовой электродинамики», — сказал Моргнер. «Это показывает, что наше прежнее понимание физики работает даже в таких экстремальных полях». До сих пор сопоставимые измерения g-фактора электронов проводились только для гораздо более легких элементов, таких как кремний.
Благодаря успешным измерениям, следующим шагом станут эксперименты с еще более тяжелыми ионами. Водородоподобный свинец или уран имеют гораздо более сильное электрическое поле, чем олово. В настоящее время реализуются дальнейшие обновления, которые позволят провести дальнейшие и еще более сильные фундаментальные испытания квантовой электродинамики в будущем.
