为什么要进行高精度计算(最精确的理论精度再提高100倍)

电子是我们所知的物质的最基本的组成部分之一。它们具有一些非常独特的特性,比如带有负电荷,还存在一种非常确切的内禀角动量,也就是自旋。

作为一个具有自旋的带电粒子,每一个电子都有磁矩,你可以把它想象成一块微小的条形磁铁,或者罗盘上的指针,因为它们在磁场中能排列一致。一种被称为量子电动力学(QED)的理论能够以非凡的精度预测磁矩的强度,并由g因子这个物理量给出。

近日,一组研究人员进行了迄今最精确的两种同位素离子的g因子的比较,其精确度达到了前所未有的水平。同时,精确的实验结果和理论计算的比较,也对QED进行了一次创纪录的检验,让我们再一次对粒子物理学的标准模型有了更深刻的认识。论文已于近日发表在《自然》上。

极其精确的实验与理论计算

1928年,物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)将狭义相对论的思想纳入量子力学,并提出了一个电子的相对论性方程。它告诉我们,g因子等于2,这个结果与当时的观测结果一致。

20年后,朱利安·施温格(Julian Schwinger)在一次著名的计算中把这个数字修改为约2.0023,这预示着QED的出现,这个理论用光子的交换来描述电子和原子核之间的相互作用。

自那时起,(与其他物质隔离的)自由电子的g因子已经被预测并测量精确到了12位,这也是物理学中理论与实验最精确的匹配之一。

然而,一旦电子不再是“自由”,换言之,它开始受到其他因素影响,比如与原子核结合后,原子核的存在就会微妙地改变电子的磁矩。g因子的这种微小变化可以通过QED进行计算。

在新研究中,团队成功地以前所未有的分辨率进行了这些QED预测。科学家挑选了两种只拥有一个电子的高电荷氖离子的同位素,分别是²⁰Ne⁹⁺²²Ne⁹⁺,并比较了它们的g因子之间的差异。这两种同位素与氢有相似之处,但核电荷量高出了10倍,因此增强了QED效应。

实验采用了一个专门设计的彭宁阱,将单个离子储存在一个几乎完全真空的4特斯拉的强磁场中。测量是为了确定在磁场中翻转“罗盘指针”(自旋)的方向所需的能量。研究人员同时利用彭宁阱中离子的运动确定了磁场的确切值,进而找到所需的微波激发的确切频率。

为什么要进行高精度计算(最精确的理论精度再提高100倍)(1)

离子阱中高电荷的氖离子对的耦合圆形运动示意图。粉色波浪代表微波辐射。(图/MPI-HD)

尽管实验中使用的超导磁铁具有非常好的时间稳定性,但不可避免的磁场微小波动将先前的所有测量限制在了约11位数字的精度上

想要获得更高的精度,就不得不另辟蹊径。两个待比较的离子(²⁰Ne⁹⁺和²²Ne⁹⁺)被同时储存在同一磁场中,进行耦合运动。在这样的运动中,两个离子总是在一个半径只有200微米的共同圆形路径上彼此相对旋转。换句话说,磁场的涨落对两种同位素的影响实际上是相同的,因此对寻找的能量差异不会带来影响

结合测量的磁场,研究人员能够确定两种同位素的g因子的差异,其精确度达到了创纪录的13位数字,与以前的测量相比,精确度提高了100倍,因此成为全世界最精确的两种g因子的比较

可以这么类比,如果研究人员以如此精确的方式测量2962米高的德国最高峰祖格峰(Zugspitze),而不是g因子,那么他们甚至可以察觉一个原子的差异。

理论计算同样是以类似的精度进行的。与新的实验值相比,团队确认电子确实通过光子的交换与原子核发生相互作用,正如QED所预测的那般。测量两种氖同位素离子的差异,首次对这一点进行了更精确检验。

新的约束

未来,新研究中提出的方法可以让科学家进行更多新颖而令人兴奋的实验,比如直接比较物质和反物质,或者以超高的精度确定基本常数。

令人兴奋的是,理论计算和实验结果的一致,让我们再一次确认了粒子物理学的标准模型。但反过来说,这种一致性也为超越已知标准模型的“新物理”带去了更多约束,比如离子与暗物质相互作用的强度。显然,还有更多的研究等待着物理学家去发掘。


参考来源:

https://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/en/public-relations/news/news-item/quantum-electrodynamics-tested-100-times-more-accurately

https://www.nature.com/articles/d41586-022-01569-3

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