Kvanteelektrodynamikk testet 100 ganger mer nøyaktig enn noen gang

Ved hjelp av en nyutviklet teknikk har forskere ved Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) i Heidelberg målt den svært lille forskjellen i de magnetiske egenskapene til to isotoper av høyt ladet neon i en ionefelle med tidligere utilgjengelig nøyaktighet. Sammenligning med like ekstremt presise teoretiske beregninger av denne forskjellen tillater en test på rekordnivå av kvanteelektrodynamikk (QED). Samsvaret mellom resultatene er en imponerende bekreftelse på standardmodellen for fysikk, som tillater konklusjoner angående egenskapene til kjerner og setter grenser for ny fysikk og mørk materie.

Elektroner er noen av de mest grunnleggende byggesteinene i saken vi kjenner. De er preget av noen svært særegne egenskaper, som deres negative ladning og eksistensen av et veldig spesifikt indre vinkelmoment, også kalt spinn. Som en ladet partikkel med spinn har hvert elektron et magnetisk moment som retter seg inn i et magnetfelt som ligner på en kompassnål. Styrken til dette magnetiske momentet, gitt av den såkalte g-faktoren, kan forutsies med ekstraordinær nøyaktighet ved å kvanteelektrodynamikk. Denne beregningen stemmer overens med den eksperimentelt målte g-faktoren til innenfor 12 sifre, en av de mest presise samsvarene mellom teori og eksperiment i fysikk til dags dato. Det magnetiske momentet til elektronet endres imidlertid så snart det ikke lenger er en “fri” partikkel, dvs. upåvirket av andre påvirkninger, men i stedet er bundet til for eksempel en atomkjerne. De små endringene av g-faktoren kan beregnes ved hjelp av QED, som beskriver samspillet mellom elektron og kjerne i form av utveksling av fotoner. Høypresisjonsmålinger tillater en sensitiv test av denne teorien.

“Med vårt arbeid har vi nå lykkes med å undersøke disse QED-spådommene med enestående løsning, og delvis for første gang,” rapporterer gruppeleder Sven Sturm. “For å gjøre dette så vi på forskjellen i g-faktoren for to isotoper av høyt ladede neonioner som bare har et enkelt elektron.” Disse ligner på hydrogen, men med 10 ganger høyere atomladning, noe som forsterker QED-effektene. Isotoper skiller seg bare i antall nøytroner i kjernen når kjerneladningen er den samme. ²⁰Ne⁹⁺ og ²²Ne⁹⁺ med henholdsvis 10 og 12 nøytroner ble undersøkt.

ALPHATRAP-eksperimentet ved Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg gir en spesialdesignet Penning-felle for å lagre enkeltioner i et sterkt magnetfelt på 4 Tesla i et nesten perfekt vakuum. Målet med målingen er å bestemme energien som trengs for å snu orienteringen til “kompassnålen” (spinn) i magnetfeltet. For å gjøre dette, letes etter den nøyaktige frekvensen av mikrobølgeeksitasjonen som kreves for dette formålet. Imidlertid avhenger denne frekvensen også av den nøyaktige verdien av magnetfeltet. For å fastslå dette utnytter forskerne bevegelsene til ioner i Penning-fellen, som også avhenger av magnetfeltet.

Til tross for den meget gode tidsmessige stabiliteten til den superledende magneten som brukes her, begrenser uunngåelige små svingninger i magnetfeltet tidligere målinger til omtrent 11 sifres nøyaktighet.

Ideen med den nye metoden er å lagre de to ionene som skal sammenlignes, ²⁰Ne⁹⁺ og ²²Ne⁹⁺ samtidig i det samme magnetfeltet i en koblet bevegelse. I en slik bevegelse, de to ioner roter alltid motsatt hverandre på en felles sirkulær bane med en radius på bare 200 mikrometer,” forklarer Fabian Heiße, Postdoc ved ALPHATRAP-eksperimentet.

Som et resultat har svingningene i magnetfeltet praktisk talt identiske effekter på begge isotoper, så det er ingen innflytelse på forskjellen mellom energiene som søkes etter. Kombinert med det målte magnetfeltet klarte forskerne å bestemme forskjellen mellom g-faktorene til begge isotoper med rekordnøyaktighet til 13 sifre, en forbedring med en faktor på 100 sammenlignet med tidligere målinger og dermed den mest nøyaktige sammenligningen på to g. -faktorer over hele verden. Oppløsningen som oppnås her kan illustreres som følger: Hvis forskerne i stedet for g-faktoren hadde målt Tysklands høyeste fjell, Zugspitze, med en slik presisjon, ville de kunne gjenkjenne individuelle tilleggsatomer på toppen av høyden på fjellet.

De teoretiske beregningene ble utført med tilsvarende nøyaktighet i Christoph Keitels avdeling ved MPIK. “Sammenlignet med de nye eksperimentelle verdiene, bekreftet vi at elektronet faktisk samhandler med atomkjernen via utveksling av fotoner, som forutsagt av QED,” forklarer gruppeleder Zoltán Harman. Dette er nå løst og vellykket testet for første gang ved forskjellsmålingene på de to neonisotopene. Alternativt, forutsatt at QED-resultatene er kjent, tillater studien kjernefysiske radier av isotoper bestemmes mer nøyaktig enn tidligere mulig med en faktor 10.

“Omvendt tillater samsvaret mellom resultatene av teori og eksperimenter oss å begrense ny fysikk utover den kjente standardmodellen, for eksempel styrken til ionets interaksjon med mørk materie“, fastslår postdoc Vincent Debierre.

“I fremtiden vil metoden som presenteres her kunne gi rom for en rekke nye og spennende eksperimenter, for eksempel direkte sammenligning av materie og antimaterie eller ultra-nøyaktig bestemmelse av fundamentale konstanter,” sier førsteforfatter Dr. Tim Sailer.

---

---