目に見えないヘリウム原子は、基本理論の非常に敏感なテストを提供します

オーストラリア国立大学の物理学者は、原子の位置エネルギー（100分の1ジュール、または10〜35ジュール以内）を測定するためのこれまでで最も感度の高い方法を開発し、最もテストされた理論の1つを検証するために使用しました。物理学—量子電気力学（QED）。

今週公開された研究 化学 ヘリウム原子が見えないレーザー光の色を見つけることに依存しており、ある原子エネルギー状態から別の原子エネルギー状態への遷移を測定することを含む、QEDのテストに使用された以前の方法の独立した裏付けです。

「この不可視性は特定の原子と特定の色の光にのみ適用されるため、ハリーポッターがホグワーツ魔法魔術学校の暗い隅を調査するために使用する不可視のマントを作るために使用することはできませんでした」と筆頭著者のブライスヘンソン博士は述べています。 .D。 ANU物理学研究スクールの学生。

「しかし、QED理論のいくつかの暗い部分を調査するために使用することができました。」

「理論と実験の間にいくつかの以前の矛盾があったので、私たちはQEDを追い出すことを望んでいました、しかしそれはかなり良い点で合格しました。」

量子電磁力学（QED）は、1940年代後半に開発され、光と物質がどのように相互作用するかを説明し、量子力学とアインシュタインの特殊相対性理論の両方を、80年近く成功し続けている方法で取り入れています。

しかし、QED理論にいくらかの改善が必要であるというヒントは、陽子のサイズの測定値の不一致から生じました。これは、2019年にほとんど解決されました。

この頃ANUPh.D. 学者のブライス・ヘンソンは、ボーズ・アインシュタイン凝縮として知られる極低温の原子雲で行っていた非常に敏感な実験で小さな振動に気づきました。

彼は振動の周波数を 記録精度、レーザーの色が変化するにつれて、原子とレーザー光の間の相互作用が周波数を変化させることを発見しました。

彼は、この効果を利用して、原子がレーザーとまったく相互作用せず、振動が変化しない、つまり効果的に見えなくなる正確な色を非常に正確に決定できることに気づきました。

非常に高解像度のレーザーと絶対零度（80ナノケルビン）より800億分の1度上に冷却された原子の組み合わせにより、チームはエネルギー測定で、原子のエネルギーより5桁低い、約10の感度を達成しました。 – 35ジュール、またはケルビン度の約10〜13の温度差。

「それは非常に小さいので、それを比較するための現象を考えることはできません。それはスケールの終わりから遠く離れています」とヘンソン氏は言いました。

これらの測定により、チームはヘリウムの不可視色の非常に正確な値を推定することができました。 彼らの結果をQEDの理論的予測と比較するために、彼らは武漢の中国科学アカデミーのLi-Yan Tang教授と、カナダのウィンザー大学のGordonDrake教授に頼りました。

QEDを使用した以前の計算では、実験よりも不確実性が少なくなりましたが、新しい実験手法により精度が20倍向上したため、理論家は課題に立ち向かい、計算を改善する必要がありました。

この探求では、彼らは成功を収めました。不確実性を最新の実験の不確実性のわずか1/40に改善し、実験の不確実性の30倍である原子の不可視性頻度へのQEDの寄与を選び出しました。 理論値は、実験の不確かさの1.7倍だけ実験値よりわずかに低かった。

国際協力のリーダーであるANU物理学研究スクールのケン・ボールドウィン教授は、実験の改善は矛盾を解決するのに役立つかもしれないが、QEDや他の理論を明らかにすることができる並外れたツールを磨くだろうと述べた。

「正確な測定のための新しいツールは、多くの場合、理論的理解に大きな変化をもたらします」とボールドウィン教授は述べています。