Исследователи из Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге экспериментально измерили g-фактор внешнего электрона в ионе литийподобного олова и сравнили его с улучшенными теоретическими расчетами квантовой электродинамики (КЭД). Совпадение результатов стало еще одним торжеством КЭД — и шагом к выявлению возможных границ применимости этой теории. Работа опубликована в журнале Science.
g-фактор описывает связь между спином электрона и его магнитным моментом. В идеальном случае, по теории Дирака, он должен быть равен 2. Однако с учетом квантовых поправок, связанных с «виртуальными фотонами», взаимодействиями с вакуумом и самими собой, это значение немного отличается — и именно эти отклонения чрезвычайно точно предсказываются КЭД.
Величина этого отклонения крайне мала — но ее можно измерить и использовать для теста теории с беспрецедентной точностью.
Ученые провели расчеты всех электромагнитных взаимодействий между частицами в литийподобном ионе олова, включая сложные КЭД-поправки. Дополнительно, в расчеты были включены уточнения, основанные на предыдущих измерениях в водородоподобном олове. Результат — теоретически предсказанный g-фактор, равный 1.980 354 797(12). Погрешность — всего 12 в последней цифре, что примерно в 25 раз точнее предыдущих расчетов для аналогичных систем.
Для эксперимента использовалась криогенная ловушка Пеннинга ALPHATRAP. Сильное магнитное поле вызывает характерные колебания ионов и прецессию (явление, при котором ось вращения меняет свое направление в пространстве) спина внешнего электрона. Ученые измеряли частоту этих колебаний и спин-флипов — переходов спина между состояниями «вверх» и «вниз» под действием микроволнового излучения.
Экспериментальные данные полностью совпали с теоретическим предсказанием в пределах погрешности. Это означает, что квантовая электродинамика, даже в условиях экстремального электромагнитного поля, остается невероятно точным описанием микромира.
Следующим шагом станут измерения g-фактора у более тяжелых ионов. Также планируются уточненные расчеты эффектов высших порядков.
Ранее был установлен новый мировой рекорд в области оптоволоконной связи.
