Ogni elettrone ha un momento magnetico che si dispone in a campo magnetico. La forza di questo momento magnetico, data dal cosiddetto fattore g, può essere prevista con straordinaria precisione dall’elettrodinamica quantistica. Quando si studiano le differenze tra isotopi, molti dei contributi QED comuni vengono annullati a causa della configurazione elettronica identica, rendendo possibile risolvere gli effetti complessi causati dalle differenze nucleari. Tuttavia, sperimentalmente, questo diventa rapidamente limitato, in particolare dall’accuratezza delle masse ioniche o dalla stabilità del campo magnetico.

Gli scienziati del Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) di Heidelberg hanno segnalato una nuova tecnica di misurazione che supera questi limiti. Usando la loro tecnica, hanno misurato la minuscola differenza nelle proprietà magnetiche dei due isotopi neon altamente carichi in una trappola ionica con una precisione precedentemente inaccessibile.

Il leader del gruppo Sven Storm ha detto: “Attraverso il nostro lavoro, ora siamo riusciti a studiare queste previsioni QED con un’accuratezza senza precedenti, in parte, per la prima volta. Per fare ciò, abbiamo esaminato la differenza nel fattore g per due isotopi di ioni neon altamente carichi che possiedono un solo elettrone”.

In questo studio, gli scienziati hanno utilizzato due isotopi: 20Ne9+ e 22Ne9+. Entrambi gli isotopi differiscono solo per il numero di neutroni nel nucleo ma hanno la stessa carica nucleare. Hanno rispettivamente 10 e 12 neutroni.

Una trappola Penning personalizzata viene utilizzata nell’esperimento ALPHATRAP in Istituto Max Planck Per la fisica nucleare di Heidelberg per immagazzinare singoli ioni in un forte campo magnetico di 4 Tesla in un vuoto quasi perfetto. L’obiettivo dell’esperimento è scoprire quanta energia è necessaria per capovolgere la direzione (rotazione) dell'”ago della bussola” in un campo magnetico.

Ciò richiede l’esatta frequenza di eccitazione delle microonde, che dipende dal valore esatto del campo magnetico. Gli scienziati lo hanno determinato sfruttando il movimento degli ioni nella trappola di Penning, che dipende anche dal campo magnetico.

Nonostante l’eccellente stabilità temporale dei magneti superconduttori, piccole e inevitabili differenze nel campo magnetico limitano le osservazioni precedenti a quasi 11 cifre di precisione.

Fabian Heiße, post-dottorato nel processo ALPHATRAP, ha dichiarato: L’idea del nuovo metodo è quella di immagazzinare gli ioni da confrontare, 20Ne9+ e 22Ne9+, nello stesso campo magnetico con un doppio movimento. In un tale movimento, i due ioni ruotano sempre l’uno contro l’altro su un percorso circolare comune con un raggio di soli 200 micrometri.

Di conseguenza, i cambiamenti del campo magnetico hanno effetti quasi identici su entrambi gli isotopi, il che significa che la differenza nelle energie desiderate non ha effetto. Gli scienziati hanno anche determinato la differenza dei fattori g per entrambi gli isotopi con un’accuratezza standard di 13 quando combinata con il campo magnetico misurato, un miglioramento del fattore 100 rispetto alle misurazioni precedenti, quindi il confronto più accurato dei due fattori g al mondo .

L’accuratezza raggiunta qui può essere illustrata come segue: se, invece del fattore g, gli scienziati misurassero la montagna più alta della Germania, lo Zugspitze, con tale precisione, sarebbero in grado di identificare ulteriori atomi individuali sulla vetta con l’altezza della montagna.

Il leader del gruppo Zoltan Haarmann ha dichiarato: “Rispetto ai nuovi valori sperimentali, abbiamo confermato che l’elettrone sta effettivamente interagendo con il nucleo atomico tramite lo scambio di fotoni, come previsto da QED. Questo è stato ora risolto e testato con successo per la prima volta da varie misurazioni sui due isotopi di neon. Invece, supponendo che i risultati della QED siano noti, lo studio consente di determinare il raggio nucleare degli isotopi con una precisione maggiore di quanto fosse possibile in precedenza di un fattore 10. “

Il ricercatore post-dottorato Vincent Depierre ha detto: Al contrario, l’accordo tra i risultati della teoria e dell’esperimento ci consente di vincolare la nuova fisica al di là di ciò che è noto Modulo standardcome la forza dell’interazione dello ione con materia oscura. “

Primo autore il Dott. Tim venditore Egli ha dettoE il “In futuro, il metodo qui presentato potrebbe consentire molti nuovi ed entusiasmanti esperimenti, come il confronto diretto tra materia e antimateria o la determinazione molto precisa delle costanti fondamentali”.

Riferimento del giornale:

1. Tim Sailer et al. , Misurazione della differenza del fattore g legato agli elettroni negli ioni accoppiati, Nature (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-04807-w