Les ions lourds hautement chargés forment un champ expérimental très approprié pour étudier l'électrodynamique quantique (QED), la théorie la mieux testée en physique décrivant toutes les interactions électriques et magnétiques de la lumière et de la matière. Une propriété cruciale de l'électron dans QED est le soi-disant facteur G, qui caractérise précisément comment la particule se comporte dans un champ magnétique.
Récemment, le groupe Alphatrap dirigé par Sven Sturm dans la division de Klaus Blaum au Max-Planck-Institut Für Kernphysik (MPIK) à Heidelberg a mesuré le facteur G des ions en étain de type hydrogène sur un niveau de précision de 0,5 parties par milliard, ce qui est comme la distance des poils de Cologne à Frankfurt avec la précision avec la précision de la pointe. Il s'agit d'un test strict de QED pour le système atomique le plus simple, tout comme l'hydrogène conventionnel mais avec un champ électrique beaucoup plus élevé connu par l'électron en raison de la charge de 50 protons à l'intérieur du noyau d'étain.
Dans une nouvelle étude publiée dans Lettres d'examen physiqueles chercheurs ont maintenant abordé des ions en étain de type bore très chargés avec seulement cinq électrons restants. L'objectif est d'étudier les effets inter-électroniques dans la configuration de type bore. Jusqu'à présent, le seul facteur G de type bore a été mesuré avec une précision élevée pour les ions argon avec un nombre de protons Z de 18. Cependant, le noyau n'est pas une charge ponctuelle comme l'électron et sa distribution de charge conduit à des corrections de taille nucléaire finie – un autre défi pour les expériences de précision.
Pour la mesure, un 118Sn45+ L'ion a été stocké dans le piège à ions alphatrapes. « En raison du long temps de stockage d'environ 40 jours, nous sommes en mesure de mesurer le facteur G avec une précision sans précédent », explique le post-doctorant Jonathan Morgner. « En combinant le nouveau résultat avec des données déjà existantes pour l'étain de type hydrogène, nous pouvons annuler les corrections de taille nucléaire finie. » Le nouveau résultat pour le facteur g de 118Sn45+ est 0,644 703 826 5 (4) avec l'incertitude donnée entre parenthèses.
Pour comparer la valeur expérimentale, les physiciens de la division théorique de Christoph Keitel à MPIK ont calculé le facteur g de 118Sn45+. « Notre approche AB initio QED bien développée prend également en compte les effets de la corrélation électronique ainsi que la taille nucléaire finie », explique Matteo Moretti.
Pour les corrections de taille nucléaire finie, il y a une annulation intrinsèque près de Z = 54 qui rend cette incertitude intrinsèquement petite en étain avec Z = 50. La prédiction théorique pour le facteur G de 0,644 702 9 (8) est cohérent avec la valeur expérimentale.
L'expérience, étant environ un facteur de 2000 plus précis que la prédiction théorique, est une référence pour les avancées futures du QED atomique. En tant que point de données crucial pour les systèmes de type bore aux masses nucléaires intermédiaires, il démontre le potentiel d'une détermination concurrentielle de la structure fine constante α, une quantité fondamentale qui régit la force des forces électromagnétiques dans tout l'univers.
L'optimal pour les expériences futures est le xénon de type bore (z = 54), pour lequel les corrections de taille nucléaire finie devraient être minimes. Du côté théorique, le défi futur est d'améliorer les calculs nécessaires pour faire correspondre la précision expérimentale.
