量子电动力学的测试精度比以往高出100倍

诸平

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据德国马克斯·普朗克微观结构物理研究所（Max Planck Institute of Microstructure Physics）2022年6月15日提供的消息，对量子电动力学的测试比以往任何时候都精确100倍（Quantum electrodynamics tested 100 times more accurately than ever）。海德堡马克斯·普朗克核物理研究所（Max Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg 简称MPIK in Heidelberg）的科学家使用一种新开发的技术，在离子阱（ion trap）中测量了两种高电荷氖同位素的磁性差异，这种差异非常小，而以前无法达到。将这种差异与同样非常精确的理论计算进行比较，可以对量子电动力学（quantum electrodynamics简称QED）进行创纪录的测试。这些结果的一致性令人印象深刻地证实了标准物理模型，从而得出了有关原子核性质的结论，并为新物理和暗物质设定了限制。相关研究结果于2022年6月15日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Tim Sailer, Vincent Debierre, Zoltán Harman, Fabian Heiße, Charlotte König, Jonathan Morgner, Bingsheng Tu, Andrey V. Volotka, Christoph H. Keitel, Klaus Blaum, Sven Sturm. Measurement of the bound-electron g-factor difference in coupled ions. Nature, 2022, 606: 479–483. DOI: 10.1038/s41586-022-04807-w. Published: 15 June 2022. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04807-w

电子是我们所知物质最基本的组成部分。它们具有一些非常独特的特性，例如负电荷和存在非常特定的固有角动量，也称为自旋。作为一个有自旋的带电粒子，每个电子都有一个磁矩，它在类似于指南针的磁场中排列自己。这种由所谓的g因子（g-factor）给出的磁矩的强度，可以用量子电动力学（QED）非常精确地预测出来。该计算结果与实验测得的g因子一致，精确到12位以内，这是迄今为止物理学理论和实验最精确的匹配之一。然而，当电子不再是“自由”粒子，即不受其他影响，而是束缚在原子核上时，电子的磁矩就会发生变化。g因子的微小变化可以用QED计算，QED用光子交换来描述电子和原子核之间的相互作用。高精度的测量可以对这一理论进行敏感检验（sensitive test）。

小组负责人斯文·斯特姆（Sven Sturm）报告说：“通过我们的工作，我们现在以前所未有的分辨率成功地研究了这些QED预测，而且部分是第一次。为了做到这一点，我们研究了只有一个电子的高电荷氖离子（Ne⁹⁺）的两种同位素（²⁰Ne⁹⁺和²²Ne⁹⁺）的g因子的差异。”这些类似于氢，但核电荷高出10倍，增强了QED效应。当核电荷相同时，同位素只在原子核中的中子数上有所不同。两种分别有10个和12个中子的氖同位素离子即²⁰Ne⁹⁺和²²Ne⁹⁺进行了研究。

海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的ALPHATRAP实验提供了一个专门设计的潘宁陷阱（Penning trap），可以在近乎完美的真空中，将单个离子存储在4特斯拉（4 Tesla）的强磁场中。测量的目的是确定在磁场中翻转“指南针”（自旋）方向所需的能量。为此，需要寻找为此目的所需的微波激励的准确频率。然而，这个频率也取决于磁场的精确值。为了确定这一点，研究人员利用潘宁陷阱中离子的运动，这也取决于磁场。

尽管这里使用的超导磁体具有很好的时间稳定性，但不可避免的磁场微小波动将以前的测量精度限制在11位数左右。新方法的思想是将两个待比较的离子²⁰Ne⁹⁺和²²Ne⁹⁺同时以耦合运动存储在同一磁场中。在这种运动中，两个离子总是在一条半径只有200 μm的公共圆形路径上相对旋转，“ALPHATRAP实验的博士后富宾恩·海塞（Fabian Heiße）解释道。

因此，磁场的波动对两种同位素的影响几乎相同，故对所寻找的能量差异没有影响。结合测量的磁场，研究人员能够以创纪录的精度确定两种同位素的g因子的差异，精确到13位，比之前的测量结果提高了100倍，因此是世界上两种g因子的最精确比较。这里获得的分辨率可以说明如下：如果研究人员以这样的精度测量德国最高的山脉祖格斯皮策（Zugspitze），而不是g因子，那么他们将能够在山顶高度处识别出单个额外的原子。

理论计算在MPIK的克里斯托夫·凯特尔（Christoph Keitel）部门以类似的精度进行。“与新的实验值相比，我们证实，正如QED所预测的那样，电子确实通过光子交换与原子核相互作用，”研究小组组长佐尔坦·哈曼（Zoltán Harman）解释道。“这一问题现已得到解决，并首次通过对两种氖同位素的差分测量成功地进行了测试。或者，假设已知QED结果，该研究可以比以前更精确地确定同位素的核半径，比以前可能的提高10倍。”

“相反，理论结果和实验结果之间的一致性允许我们限制新的物理超越已知的标准模型，例如离子与暗物质（dark matter）相互作用的强度，”博士后文森特·德比尔（Vincent Debierre）说道。

第一作者蒂姆·赛勒博士（Dr. Tim Sailer）表示：“在未来，这里介绍的方法可能允许进行一些新颖而令人兴奋的实验，例如直接比较物质和反物质或超精密测定基本常数。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Investigating the magnetic properties of helium-3

Abstract

Quantum electrodynamics (QED) is one of the most fundamental theories of physics and has been shown to be in excellent agreement with experimental results^1,2,3,4,5. In particular, measurements of the electron’s magnetic moment (or g factor) of highly charged ions in Penning traps provide a stringent probe for QED, which allows testing of the standard model in the strongest electromagnetic fields⁶. When studying the differences between isotopes, many common QED contributions cancel owing to the identical electron configuration, making it possible to resolve the intricate effects stemming from the nuclear differences. Experimentally, however, this quickly becomes limited, particularly by the precision of the ion masses or the magnetic field stability⁷. Here we report on a measurement technique that overcomes these limitations by co-trapping two highly charged ions and measuring the difference in their g factors directly. We apply a dual Ramsey-type measurement scheme with the ions locked on a common magnetron orbit⁸, separated by only a few hundred micrometres, to coherently extract the spin precession frequency difference. We have measured the isotopic shift of the bound-electron g factor of the isotopes ²⁰Ne⁹⁺ and ²²Ne⁹⁺ to 0.56-parts-per-trillion (5.6×10⁻¹³) precision relative to their g factors, an improvement of about two orders of magnitude compared with state-of-the-art techniques⁷. This resolves the QED contribution to the nuclear recoil, accurately validates the corresponding theory and offers an alternative approach to set constraints on new physics.