Американские физики уточнили значение магнитного момента электрона, достигнув точности в 0,13 долей триллиона. Новая величина поможет лучше понять природу расхождений в лабораторном измерении постоянной тонкой структуры, а также присоединиться к поискам Новой физики вместе с аналогичными экспериментами на мюонах. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Поиск Новой физики во многом опирается на ежедекадно растущую точность физического эксперимента. Интерпретация показаний приборов происходит через их подгонку под модель. Чем сложнее объект, тем сложнее и модель, а большое число подгоночных констант суммарно уменьшает точность исследования.
В этом контексте интересны чисто лептонные системы — то есть, системы, состоящие только из электронов, мюонов, таонов и их античастиц, — их моделирование почти целиком опирается на хорошо понятную физикам квантовую электродинамику. Хорошие результаты дают опыты с экзотическими атомами: позитронием и мюонием. Но наиболее резонансным оказалось исследование аномального магнитного момента у одиночного мюона в магнитном поле: его значение отклонилось от предсказаний Стандартной модели более, чем на четыре сигмы.
Чувствительность мюона к Новой физике обусловлена его большой массой. Тем не менее, аналогичные эксперименты с более легкими электронами стараются догнать эту точность за счет того, что электрон стабилен, а значит позволяет набрать много статистики. В 2008 году группа физиков из Гарвардского университета под руководством Джеральда Габриэльса (Gerald Gabrielse) определила электронный магнитный момент с точностью 0,28 долей триллиона. Впоследствии Габриэльс переехал работать в Северо-Западный университет в Эванстоне, где организовал новый эксперимент, улучшивший это значение в 2,2 раза.
Когда достаточно медленный электрон двигается перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, он оказывается связанным, его энергия при этом квантуется. Она состоит из членов, зависящих от проекции спина и от интенсивности орбитального движения. В квантовой механике энергетические интервалы в обеих энергетических шкалах равны. Квантовая электродинамика же предписывает им отличаться из-за взаимодействия с вакуумом. Суть эксперимента физиков заключается в измерении этой тончайшей разницы, а именно частоты перехода νa между основным и первым возбужденным уровнями, соответствующим разным проекциям спина.
В новой экспериментальной установке одиночные электроны задерживались в ловушке Пеннинга постоянным магнитным полем с индукцией пять тесла. Чтобы повысить точность, физики накладывали небольшой градиент магнитного поля, заставляющий электрон слабо осциллировать в перпендикулярном направлении. Измерение именно этой частоты позволило им определить разность спиновой и циклотронной частот неразрушающим образом. Стабильность магнитного поля, высокий контроль над электронным движением и подавление лишних энергетических переходов позволила добиться относительной точности в определении аномального магнитного перехода равной 1,3x1013.
При предсказании в рамках Стандартной модели магнитный момент электрона определяется по большей части постоянной тонкой структуры. Примечательно, что два наиболее точных значения этой величины, полученных в лаборатории с помощью атомов рубидия и цезия, отличаются друг от друга на 5,5 сигмы. Постоянная тонкой структуры, которая соответствовала новому эксперименту, расположена примерно посередине между этими значениями.
Ранее мы рассказывали, как постоянную тонкой структуры извлекают из спектров солнцеподобных звезд и квантования фарадеевского вращения.