基本常數的最高精度測量

有史以來對精細結構常數最精確的測量

來源 報道

有史以來對精細結構常數最精確的測量,對預測 "黑暗地帶"粒子存在的理論提出了新的限制。法國的研究人員利用冷銣原子雲測得的新數值,對粒子物理學標準模型進行了嚴格的檢驗,同時也進一步限制了暗物質(據信佔我們宇宙中90%以上)的特性。

精細結構常數%%\alpha%%是幾個物理量(包括電動力學中的電荷%%e%%和相對論中的光速%%c%%)的組合,它們共同描述電磁相互作用的強度。這使得%%\alpha%%在宇宙中無處不在。因爲它是一個無量綱數,從某種意義上說,它比物理常數如引力強度或普朗克常數%%\hbar%%更基本,後者的變化取決於它們被測量的單位。

電磁相互作用微弱。

相對較低的%%\alpha%%值(大約等於%%1/137%%)意味着電磁相互作用較弱。其主要後果是電子的軌道與其原子有一定的距離,因此它們可以自由地形成化學鍵並形成分子。這種屬性使物質和能量能夠形成恆星和行星。事實上,一些物理學家認爲,我們的存在完全歸功於%%\alpha%%的精確值,因爲如果%%\alpha%%稍大或稍小,恆星可能無法合成碳等較重的元素,我們所知道的生命也就不會存在。

對%%\alpha%%值的精確測量,使我們有可能嚴格測試基本粒子之間的關係。這些關係由構成粒子物理學標準模型的方程描述,模型的預測和實驗觀測之間的任何差異可能提供新物理學的證據。

確定原子的反衝速度。

測量%%\alpha%%通常從確定原子吸收光子時的強烈反衝力開始。這種反衝力的動能(或其速度)揭示了原子的質量。接下來,使用原子質量與電子質量的精確已知比率計算電子的質量。最後根據電子的質量和氫原子的結合能計算%%\alpha%%,其值同樣是由光譜測量所熟知的。

巴黎Kastler Brossel實驗室的Saïda Guellati-Khélifa領導的研究人員在真空室中將銣原子冷卻到絕對零度以上幾度。然後利用激光脈衝創造了原子的兩種狀態的量子疊加。第一種狀態對應的是吸收光子時反衝的原子,第二種狀態對應的是不反衝的原子。

每種類型原子的兩種可能版本沿着不同的路徑在實驗中傳播。然後,研究人員應用第二組激光脈衝來"重新連接"疊加的兩半。

吸收光子後原子反衝的越多,越與不反衝的自身版本不同相。通過測量這種差異,Guellati-Khélifa和同事們提取了原子的質量,然後用它來確定精細結構常數。他們的結果表明,%%\alpha%%的精度爲%%1/137.035999206(11)%%,其精度爲萬億分之81,比上一個里程碑精確了2.5倍,該里程碑是由美國加州大學伯克利分校的Holger Müller及其同事在2018年取得的。

《自然》雜誌報道了這項新的測量結果,與2018年伯克利實驗中獲得的數值相差七位數。這一結果令巴黎研究人員感到驚訝,因爲這意味着其中一個或兩個測量值有目前未知的誤差。然而,這兩組測量結果確實與與根據電子的所謂%%g%%因子的精確測量結果(與電子的磁矩有關)計算出的%%\alpha%%值非常一致。在一篇相關的《新聞與觀點》文章中,穆勒指出,巴黎的結果"證實電子沒有亞結構,是真正的基本粒子"。

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