Физики наиболее точно измерили магнитный момент электрона

Несмотря на замечательные успехи, стандартная модель физики элементарных частиц явно неполна: темная материя, темная энергия и асимметрия Вселенной между материей и антиматерией являются одними из ее самых вопиющих недостатков. Таким образом, экспериментаторы с нетерпением ищут аномалии, которые могли бы дать намеки на теорию, которая могла бы дополнить или заменить стандартную модель.

Электрон является ключевым игроком в этом поиске: его магнитный момент является одновременно наиболее точно измеренным свойством элементарной частицы и наиболее точно проверенным предсказанием стандартной модели на сегодняшний день.

Новые измерения группы физиков определили значение магнитного момента электрона в 2,2 раза точнее, чем предыдущая наилучшая оценка, полученная в 2008 году.

Результат прокладывает путь к гораздо большему повышению точности в ближайшие несколько лет, предлагая заманчивые перспективы использования этих измерений для поиска физики за пределами стандартной модели.

Согласно поговорке ученых, новая физика начинается со следующей цифры точности, прекрасной иллюстрацией которой является история магнитного момента электрона. После того, как эксперименты показали, что электрон имеет спин, Поль Дирак предложил формальное описание спина электрона с помощью своего знаменитого релятивистского уравнения.

Он предсказал, что g- фактор электрона — безразмерная величина, связывающая магнитный момент частицы с ее угловым моментом — должен быть равен 2. Но в 1947 году высокоточные эксперименты физиков Поликарпа Куша и Генри Фоули показали, что g немного больше 2.

Этот «аномальный» магнитный момент был объяснен физиком Джулианом Швингером, который показал, что значение чуть больше 2 можно получить, включив квантово-механическую поправку. Расчет Швингера заложил основы теории квантовой электродинамики (КЭД). С тех пор магнитный момент электрона играет ключевую роль в тестах КЭД и стандартной модели.

Теперь объединенная группа физиков из Гарвардского университета и Северо-Западного университета нашла самое точное значение магнитного момента электрона.

Работа заключалась в подвешивании одного электрона в ловушке Пеннинга с постоянным магнитным полем на уровне 5 Тл.

Затем камера была охлаждена почти до абсолютного нуля. Были проведены измерения того, что команда описывает как «квантовые скачки» электронов между энергетическими уровнями.

После этого, используя градиент магнитного поля, ученые смогли выполнить квантовое обнаружение без разрушения — метод измерения квантовых скачков без изменения квантового состояния, что уменьшило неопределенность измерений магнитного момента.

Конечным результатом стало измерение магнитного момента с недостижимой ранее точностью — 0,13 доли от 1 триллиона.

Ожидается, что новые измерения повлияют на работу, связанную с будущими испытаниями стандартной модели.