基本常数的最高精度测量
有史以来对精细结构常数最精确的测量
有史以来对精细结构常数最精确的测量,对预测 "黑暗地带"粒子存在的理论提出了新的限制。法国的研究人员利用冷铷原子云测得的新数值,对粒子物理学标准模型进行了严格的检验,同时也进一步限制了暗物质(据信占我们宇宙中90%以上)的特性。
精细结构常数%%\alpha%%是几个物理量(包括电动力学中的电荷%%e%%和相对论中的光速%%c%%)的组合,它们共同描述电磁相互作用的强度。这使得%%\alpha%%在宇宙中无处不在。因为它是一个无量纲数,从某种意义上说,它比物理常数如引力强度或普朗克常数%%\hbar%%更基本,后者的变化取决于它们被测量的单位。
电磁相互作用微弱。
相对较低的%%\alpha%%值(大约等于%%1/137%%)意味着电磁相互作用较弱。其主要后果是电子的轨道与其原子有一定的距离,因此它们可以自由地形成化学键并形成分子。这种属性使物质和能量能够形成恒星和行星。事实上,一些物理学家认为,我们的存在完全归功于%%\alpha%%的精确值,因为如果%%\alpha%%稍大或稍小,恒星可能无法合成碳等较重的元素,我们所知道的生命也就不会存在。
对%%\alpha%%值的精确测量,使我们有可能严格测试基本粒子之间的关系。这些关系由构成粒子物理学标准模型的方程描述,模型的预测和实验观测之间的任何差异可能提供新物理学的证据。
确定原子的反冲速度。
测量%%\alpha%%通常从确定原子吸收光子时的强烈反冲力开始。这种反冲力的动能(或其速度)揭示了原子的质量。接下来,使用原子质量与电子质量的精确已知比率计算电子的质量。最后根据电子的质量和氢原子的结合能计算%%\alpha%%,其值同样是由光谱测量所熟知的。
巴黎Kastler Brossel实验室的Saïda Guellati-Khélifa领导的研究人员在真空室中将铷原子冷却到绝对零度以上几度。然后利用激光脉冲创造了原子的两种状态的量子叠加。第一种状态对应的是吸收光子时反冲的原子,第二种状态对应的是不反冲的原子。
每种类型原子的两种可能版本沿着不同的路径在实验中传播。然后,研究人员应用第二组激光脉冲来"重新连接"叠加的两半。
吸收光子后原子反冲的越多,越与不反冲的自身版本不同相。通过测量这种差异,Guellati-Khélifa和同事们提取了原子的质量,然后用它来确定精细结构常数。他们的结果表明,%%\alpha%%的精度为%%1/137.035999206(11)%%,其精度为万亿分之81,比上一个里程碑精确了2.5倍,该里程碑是由美国加州大学伯克利分校的Holger Müller及其同事在2018年取得的。
《自然》杂志报道了这项新的测量结果,与2018年伯克利实验中获得的数值相差七位数。这一结果令巴黎研究人员感到惊讶,因为这意味着其中一个或两个测量值有目前未知的误差。然而,这两组测量结果确实与与根据电子的所谓%%g%%因子的精确测量结果(与电子的磁矩有关)计算出的%%\alpha%%值非常一致。在一篇相关的《新闻与观点》文章中,穆勒指出,巴黎的结果"证实电子没有亚结构,是真正的基本粒子"。
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