Med hjälp av en nyutvecklad teknik har forskare vid Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) i Heidelberg mätt den mycket lilla skillnaden i de magnetiska egenskaperna hos två isotoper av högladdat neon i en jonfälla med tidigare otillgänglig noggrannhet. Jämförelse med lika extremt exakta teoretiska beräkningar av denna skillnad möjliggör ett test på rekordnivå av kvantelektrodynamik (QED). Överensstämmelsen mellan resultaten är en imponerande bekräftelse på fysikens standardmodell, som tillåter slutsatser om kärnornas egenskaper och sätter gränser för ny fysik och mörk materia.

Elektroner är några av de mest grundläggande byggstenarna i materien vi känner till. De kännetecknas av några mycket distinkta egenskaper, såsom deras negativa laddning och förekomsten av en mycket specifik inneboende rörelsemängd, även kallad spinn. Som en laddad partikel med spinn har varje elektron ett magnetiskt moment som riktar sig i ett magnetfält som liknar en kompassnål. Styrkan hos detta magnetiska moment, givet av den så kallade g-faktorn, kan förutsägas med extraordinär noggrannhet genom kvantelektrodynamik. Denna beräkning överensstämmer med den experimentellt uppmätta g-faktorn inom 12 siffror, en av de mest exakta matchningarna av teori och experiment inom fysik hittills. Däremot förändras elektronens magnetiska moment så fort den inte längre är en "fri" partikel, d.v.s. opåverkad av andra påverkan, utan istället är bunden till exempelvis en atomkärna. De små förändringarna av g-faktorn kan beräknas med hjälp av QED, som beskriver interaktionen mellan elektron och kärna i termer av ett utbyte av fotoner. Högprecisionsmätningar möjliggör ett känsligt test av denna teori.

"Med vårt arbete har vi nu lyckats undersöka dessa QED-förutsägelser med oöverträffad upplösning, och delvis, för första gången", rapporterar gruppledaren Sven Sturm. "För att göra detta tittade vi på skillnaden i g-faktorn för två isotoper av högt laddade neonjoner som bara har en enda elektron." Dessa liknar väte, men med 10 gånger högre kärnladdning, vilket förstärker QED-effekterna. Isotoper skiljer sig endast i antalet neutroner i kärnan när kärnladdningen är densamma. ²⁰ Ne ⁹⁺ och ²² Ne ⁹⁺ med 10 respektive 12 neutroner undersöktes.

ALPHATRAP-experimentet vid Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg tillhandahåller en specialdesignad Penning-fälla för att lagra enstaka joner i ett starkt magnetfält på 4 Tesla i ett nästan perfekt vakuum. Syftet med mätningen är att bestämma den energi som behövs för att vända orienteringen av "kompassnålen" (spin) i magnetfältet. För att göra detta letas efter den exakta frekvensen av mikrovågsexciteringen som krävs för detta ändamål. Men denna frekvens beror också på det exakta värdet av magnetfältet. För att fastställa detta utnyttjar forskarna jonernas rörelse i Penning-fällan, som också beror på magnetfältet.

Trots den mycket goda tidsstabiliteten hos den supraledande magnet som används här, begränsar oundvikliga små fluktuationer i magnetfältet tidigare mätningar till ungefär 11 siffrors noggrannhet.

Tanken med den nya metoden är att lagra de två joner som ska jämföras, ²⁰ Ne ⁹⁺ och ²² Ne ⁹⁺ samtidigt i samma magnetfält i en kopplad rörelse. I en sådan rörelse roterar de två jonerna alltid mittemot varandra på en gemensam cirkulär bana med en radie på endast 200 mikrometer", förklarar Fabian Heiße, postdoc vid ALPHATRAP-experimentet.

Som ett resultat har magnetfältets fluktuationer praktiskt taget identiska effekter på båda isotoper, så det finns ingen inverkan på skillnaden mellan de sökta energierna. I kombination med det uppmätta magnetfältet kunde forskarna bestämma skillnaden mellan g-faktorerna för båda isotoper med rekordnoggrannhet till 13 siffror, en förbättring med en faktor 100 jämfört med tidigare mätningar och därmed den mest exakta jämförelsen av två g. -faktorer över hela världen. Upplösningen som uppnås här kan illustreras på följande sätt:Om forskarna i stället för g-faktorn hade mätt Tysklands högsta berg, Zugspitze, med sådan precision, skulle de kunna känna igen enskilda ytterligare atomer på toppen av höjden av berget.

De teoretiska beräkningarna utfördes med liknande noggrannhet på Christoph Keitels avdelning på MPIK. "I jämförelse med de nya experimentella värdena bekräftade vi att elektronen verkligen interagerar med atomkärnan via utbyte av fotoner, som förutspåtts av QED", förklarar gruppledaren Zoltán Harman. Detta har nu lösts och testats framgångsrikt för första gången genom skillnadsmätningarna på de två neonisotoperna. Alternativt, förutsatt att QED-resultaten är kända, tillåter studien att isotopernas kärnradier kan bestämmas mer exakt än tidigare möjligt med en faktor 10.

"Omvänt tillåter överensstämmelsen mellan resultaten av teori och experiment oss att begränsa ny fysik bortom den kända standardmodellen, såsom styrkan av jonens interaktion med mörk materia", säger postdoc Vincent Debierre.

"I framtiden kan metoden som presenteras här möjliggöra ett antal nya och spännande experiment, till exempel direkt jämförelse av materia och antimateria eller ultraprecis bestämning av fundamentala konstanter", säger första författaren Dr. Tim Sailer. + Utforska vidare

Undersöker de magnetiska egenskaperna hos helium-3