Des chercheurs du max-planck-institut fuer Kernphysik présentent de nouveaux résultats expérimentaux et théoriques pour le facteur G électronique lié dans l'étain de lithium, qui a une charge nucléaire beaucoup plus élevée que toute mesure précédente. Le document est publié dans la revue Science.
La précision expérimentale a atteint un niveau de 0,5 partie par milliard. En utilisant une méthode QED interélectronique améliorée, la prédiction théorique du facteur G a atteint une précision de 6 parties par milliard.
Électrodynamique quantique – une zone de compétition pour la précision
L'électrodynamique quantique (QED) est la théorie fondamentale décrivant tous les phénomènes électromagnétiques, y compris la lumière (photons). En même temps, c'est la théorie la plus précisément testée en physique.
Il a été strictement testé de diverses manières jusqu'à 0,1 parties par milliard. Mais c'est juste la force même de cette théorie qui pousse les physiciens à le tester encore plus rigoureusement et à explorer ses limites possibles. Tout écart important serait un indice pour la nouvelle physique.
QED comprend l'interaction électromagnétique entre les particules chargées comme l'échange de photons « virtuels » – la façon dont les électrons dans un atome « se parlent » et le noyau – et avec eux-mêmes par émission et réabsorption d'un photon, un effet QED appelé « Self Energy ».
En outre, il s'est avéré que le vide physique n'est pas vide mais rempli de particules virtuelles telles que les paires d'électrons-positron, qui apparaissent tout le temps « à partir de rien » mais doivent disparaître dans les limites fixées par le principe d'incertitude de la physique quantique.
Bien que cela puisse sembler effrayant, c'est juste le moyen d'expliquer la physique sous-jacente des expériences réalisées en physique atomique déjà dans les années 40.
Un accès à la pointe de la technologie aux phénomènes QED est le soi-disant facteur G de l'électron, qui décrit la relation de son mécanicien (moment angulaire intrinsèque: spin) et des propriétés magnétiques. Selon la théorie de Dirac (mécanique quantique relativiste), le facteur G de l'électron libre devrait être exactement 2.
Cependant, diverses interactions QED modifient le facteur G et conduisent à un écart faible mais précisément mesurable par rapport à la valeur 2. Les effets QED dépendent d'une manière non linéaire forte sur les champs externes.
Les électrons connaissent le champ électrique extrêmement élevé en raison de la charge nucléaire élevée dans les éléments lourds. Les systèmes les plus simples sont des ions hautement chargés de type hydrogène, qui ont été étudiés à la fois théoriquement et expérimentalement avec un grand succès.
Dans un travail conjoint coloré-théorique expérimental, les chercheurs du Max Planck Institute for Nuclear Physics de Heidelberg ont maintenant étudié le facteur G de l'électron lié le plus à l'extérieur dans l'étain de lithium. Ce système est similaire à l'hydrogène mais ajoute l'interaction avec les deux électrons étroitement liés de la coque atomique intérieure.
Théorie: AB Initio QED Calculs
Un calcul ab initio prend en compte toutes les interactions électromagnétiques entre les constituants – dans un ion de lithium – à un niveau fondamental, y compris les effets QED jusqu'à une certaine mesure.
Effets de la structure des électrons où les électrons échangent des photons incorporés dans les calculs, ainsi que des effets de dépistage QED, où l'électron interagit à la fois avec les autres électrons et avec lui-même ou avec le vide.
La prédiction ab initio a été encore améliorée en utilisant la contribution QED à deux boucles extraite de la mesure récente dans l'étain de type hydrogène (33) mise à l'échelle dans le cas d'électrons de type lithium. Cela donne une prédiction théorique « améliorée expérimentalement » de
gème = 1,980 354 797 (12)
avec l'incertitude donnée entre parenthèses. Par rapport au cas de type hydrogène, il s'agit globalement d'une amélioration de 25 fois.
Expérience: compter les flips de spin
La mesure du facteur G de l'électron lié a été réalisée en utilisant l'alphatrap de piège cryogénique à MPIK. Le fort champ magnétique à l'intérieur du piège conduit à un mouvement caractéristique de l'ion confiné par le champ ainsi qu'à une précession de la rotation de l'électron extérieur comme un petit haut de rotation magnétique.
Le facteur G peut être extrait du rapport de la fréquence de mouvement de l'ion et de la fréquence de précession tandis que le champ magnétique est éliminé de ce calcul. Le mouvement ionique peut être détecté directement à partir de petits signaux électriques induits dans les électrodes de piège du «piège de précision».
Pour déterminer la fréquence de précession, le rayonnement micro-ondes est envoyé dans le piège qui peut induire un retournement de rotation, un changement de l'orientation du spin (en raison de la quantification, il n'y a que deux états de spin mesurables, « haut » et « vers le bas »). Le taux de rotation atteint un maximum lorsque le micro-ondes correspond à la fréquence de précession.
Résultats et perspectives
La valeur expérimentale du facteur G de l'ion étain de type lithium est
gExp = 1,980 354 799 750 (84)stat(54)système(944)ext
avec les incertitudes statistiques, systématiques et externes données entre parenthèses. Les incertitudes externes sont dominées par l'incertitude de masse ionique, limitant actuellement la précision expérimentale.
La précision globale est de 0,5 parties par milliard. Le résultat expérimental est bien d'accord avec la prédiction théorique donnée ci-dessus dans l'incertitude du calcul.
Du côté expérimental, il est possible d'améliorer la précision de la valeur de masse de plus d'un ordre de grandeur et de renforcer par conséquent la précision du facteur G si elle est motivée par les progrès en théorie.
À l'avenir, les mesures de systèmes plus lourds de type lithium tels que 208PB79+ Et les progrès attendus dans les calculs QED à deux boucles fourniront des tests encore meilleurs dans le régime de champ électrique fort en utilisant des ions hautement chargés.
Les méthodes théoriques avancées développées ici pour les effets QED interélectroniques peuvent être appliquées aux calculs de facteur G d'ions plus complexes (transitions de bore ou de carbone), parité non conservatrice dans les atomes neutres et autres effets.
