Команда з Інституту ядерної фізики ім. Макса Планка досягла безпрецедентної точності — 0,5 частин на мільярд — у вимірюванні g-фактора зв’язаного електрона.
Цей коефіцієнт описує зв’язок між спіном електрона (внутрішній кутовий момент) і його магнітними властивостями. «За допомогою ALPHATRAP ми чуємо, як електрон “розмовляє” з ядром», — зазначають дослідники. Такий рівень точності відкриває нові горизонти в експериментальній фізиці.
КЕД, що моделює електромагнітні взаємодії через обмін «віртуальними» фотонами, є найточніше перевіреною теорією сучасної фізики. Незначне відхилення g-фактора від теоретичного значення 2 сигналізує про вплив складних ефектів, зокрема «власної енергії» та екранування. Важкі іони, зокрема олова, створюють сильні електричні поля, які значно підсилюють ефекти КЕД. Це дозволяє дослідникам шукати навіть найменші відхилення, які могли б вказати на межі КЕД.
Теоретичні ab initio розрахунки включили двопетльові поправки КЕД, перенесені з воднеподібного олова. Цей підхід дозволив досягти точності 6 частин на мільярд для g-фактора, що є 25-кратним покращенням порівняно з попередніми моделями. «Ми поєднали експеримент і теорію, щоб вийти за межі можливого», — коментують автори. Результат: повна відповідність між теорією і експериментом.
Вимірювання проводили у кріогенній пастці Пеннінга ALPHATRAP, де зафіксували прецесію спіну зовнішнього електрона. Визначення частоти прецесії через індуковані фліпи спіну забезпечило незалежність від впливу магнітного поля. «Ми буквально рахуємо фліпи спіну, щоби побачити, як працює Всесвіт», — підсумовують фізики. Це дозволяє надточно визначати фундаментальні константи.
Отримане значення g-фактора:
gexp = 1,980 354 799 750(84)stat(54)sys(944)ext,
де зовнішня похибка зумовлена обмеженням точності маси іона. У разі вдосконалення теорії, точність можна збільшити ще вдесятеро. У майбутньому очікуються вимірювання ще важчих іонів, таких як 208Pb79+, що стане критичним тестом КЕД у сильних полях. Відпрацьовані тут методи можуть бути адаптовані до більш складних атомів та паритетно-порушувальних процесів.