Max-Planck-Institut Fuer Kernphysik’ten araştırmacılar, önceki herhangi bir ölçümden çok daha yüksek bir nükleer yüke sahip olan lityum benzeri kalaydaki bağlı elektron G faktörü için yeni deneysel ve teorik sonuçlar sunmaktadır. Makale dergide yayınlandı Bilim.
Deneysel doğruluk milyar başına 0,5 kısım seviyesine ulaştı. Gelişmiş bir interelektronik QED yöntemi kullanılarak, G faktörü için teorik tahmin, milyar başına 6 kısım hassasiyetine ulaştı.
Kuantum elektrodinamiği – hassasiyet için bir yarışma alanı
Kuantum elektrodinamiği (QED), ışık (fotonlar) dahil tüm elektromanyetik fenomenleri tanımlayan temel teoridir. Aynı zamanda, fizikte en hassas test edilen teoridir.
Milyar başına 0,1 parçaya kadar çeşitli şekillerde sıkı bir şekilde test edilmiştir. Ancak fizikçileri onu daha titiz bir şekilde test etmeye ve olası sınırlarını keşfetmeye iten bu teorinin sadece gücüdür. Herhangi bir önemli sapma yeni fizik için bir ipucu olacaktır.
QED, yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik etkileşimi, “sanal” fotonların değişimi – bir atomdaki elektronların birbirlerine ve çekirdeğe ve çekirdeğe konuşma şekli ve bir fotonun emisyonu ve yeniden emilmesi yoluyla, “kendini enerji” adı verilen QED etkisi ile anlar.
Ayrıca, fiziksel vakumun boş olmadığı, ancak her zaman “hiçbir şeyden” görünen, ancak kuantum fiziğinin belirsizlik prensibi tarafından belirlenen sınırlar içinde kaybolması gereken elektron-pozitron çiftleri gibi sanal parçacıklarla doldurulduğu ortaya çıktı.
Bu ürkütücü görünse de, 1940’larda zaten atom fiziğinde yapılan deneylerin altta yatan fiziğini açıklamanın yoludur.
QED fenomenlerine son teknoloji ürünü erişim, mekaniğinin (içsel açısal momentum: spin) ve manyetik özelliklerin ilişkisini tanımlayan elektronun G-faktörüdür. Dirac’ın teorisine (göreli kuantum mekaniği) göre, serbest elektronun G faktörü tam olarak 2 olmalıdır.
Bununla birlikte, çeşitli QED etkileşimleri G faktörünü değiştirir ve 2. değerden küçük ama kesin olarak ölçülebilir bir sapmaya yol açar. QED etkileri, dış alanlarda güçlü bir doğrusal olmayan yola bağlıdır.
Elektronlar, ağır elementlerde yüksek nükleer yük nedeniyle son derece yüksek elektrik alanını yaşar. En basit sistemler, hem teorik hem de deneysel olarak büyük bir başarı ile araştırılan hidrojen benzeri yüksek yüklü iyonlardır.
Ortak işbirlikçi deneysel teorik çalışmada, Heidelberg’deki Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü’ndeki araştırmacılar şimdi lityum benzeri teneke içinde en dış sınırlı elektronun G faktörünü araştırdılar. Bu sistem hidrojene benzer, ancak iç atomik kabuğun sıkıca bağlı iki elektronu ile etkileşimi ekler.
Teori: ab initio qed hesaplamaları
Bir ab initio hesaplaması, belirli bir dereceye kadar QED etkileri de dahil olmak üzere temel bir düzeyde, bileşenler arasındaki tüm elektromanyetik etkileşimleri-lityum benzeri bir iyondan-dikkate alır.
Elektron yapısı etkileri, elektron değişim fotonlarının hesaplamalara dahil edildiği ve elektronun diğer elektronlarla hem de kendisi veya vakumla etkileşime girdiği QED tarama etkileri.
AB initio tahmini, lityum benzeri elektron kasasına ölçeklendirilmiş hidrojen benzeri kalay (33) ‘de son ölçümden çıkarılan iki döngü QED katkısı kullanılarak daha da geliştirilmiştir. Bu, “deneysel olarak geliştirilmiş” teorik bir tahmin verir
Gth = 1.980 354 797 (12)
parantez içinde verilen belirsizlik ile. Hidrojen benzeri durumla karşılaştırıldığında, bu genel olarak 25 katlı bir gelişmedir.
Deney: Spin dönmelerini saymak
Bağlı elektronun G faktörünün ölçümü, MPIK’deki kriyojenik penning tuzağı alfatrap kullanılarak yapıldı. Tuzağın içindeki güçlü manyetik alan, alan tarafından sınırlandırılan iyonun karakteristik bir hareketine ve ayrıca küçük bir manyetik dönen üst gibi dış elektronun dönüşünün önlenmesine yol açar.
G faktörü, manyetik alan bu hesaplamadan çıkarılırken, iyonun hareket frekansının ve önleme frekansının oranından çıkarılabilir. İyon hareketi doğrudan “hassas tuzak” ın tuzak elektrotlarındaki küçük indüklenen elektrik sinyallerinden tespit edilebilir.
Öncelik frekansını belirlemek için, bir spin flight’ı indükleyebilen tuzağa mikrodalga radyasyonu gönderilir, spin oryantasyonunda bir değişiklik (nicelleştirme nedeniyle sadece iki ölçülebilir spin durumu vardır, “yukarı” ve “aşağı”). Mikrodalga önlük frekansını yeniden eşleştirdiğinde spin dönmeleri oranı maksimuma ulaşır.
Sonuçlar ve Görünüm
Lityum benzeri kalay iyonunun G faktörü için deneysel değer
Gexp = 1.980 354 799 750 (84)stat(54)somu(944)genişletme
Parantez içinde verilen istatistiksel, sistematik ve dış belirsizliklerle. Dış belirsizliklere, şu anda deneysel doğruluğu sınırlayan iyon kütle belirsizliği hakimdir.
Genel doğruluk milyar başına 0,5 kısımdır. Deneysel sonuç, hesaplamanın belirsizliği içinde yukarıda verilen teorik tahmin ile iyi anlaşılmaktadır.
Deneysel tarafta, kütle değerinin hassasiyetini bir büyüklük sırasından daha fazla iyileştirmek ve sonuç olarak teorideki ilerlemelerle motive edilirse G faktörünün hassasiyetini arttırmak mümkündür.
Gelecekte, daha ağır lityum benzeri sistemlerin ölçümleri 208Pb79+ Ve iki döngü QED hesaplamalarında beklenen ilerleme, güçlü elektrik alan rejiminde yüksek yüklü iyonlar kullanarak daha iyi testler sağlayacaktır.
Burada elektronik QED etkileri için burada geliştirilen ileri teorik yöntemler, daha karmaşık iyonların (bor- veya karbon benzeri) G-faktörü hesaplamalarına, nötr atomlarda ve diğer etkilerde parite koruyamayan geçişlere uygulanabilir.
