Utilizzando una tecnica di recente sviluppo, gli scienziati del Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) di Heidelberg hanno misurato la piccolissima differenza nelle proprietà magnetiche di due isotopi di neon altamente carichi in una trappola ionica con una precisione precedentemente inaccessibile. Il confronto con calcoli teorici altrettanto estremamente precisi di questa differenza consente un test di livello record dell'elettrodinamica quantistica (QED). L'accordo dei risultati è un'impressionante conferma del modello standard della fisica, consentendo conclusioni sulle proprietà dei nuclei e stabilendo limiti per la nuova fisica e la materia oscura.

Gli elettroni sono alcuni degli elementi costitutivi più fondamentali della materia che conosciamo. Sono caratterizzati da alcune proprietà molto distintive, come la loro carica negativa e l'esistenza di un momento angolare intrinseco molto specifico, chiamato anche spin. In quanto particella carica con spin, ogni elettrone ha un momento magnetico che si allinea in un campo magnetico simile all'ago di una bussola. La forza di questo momento magnetico, data dal cosiddetto fattore g, può essere prevista con straordinaria precisione dall'elettrodinamica quantistica. Questo calcolo concorda con il fattore g misurato sperimentalmente entro 12 cifre, una delle corrispondenze più precise di teoria ed esperimento in fisica fino ad oggi. Tuttavia, il momento magnetico dell'elettrone cambia non appena non è più una particella "libera", cioè non influenzata da altre influenze, ma è invece legata, ad esempio, ad un nucleo atomico. Le lievi variazioni del fattore g possono essere calcolate mediante QED, che descrive l'interazione tra elettrone e nucleo in termini di scambio di fotoni. Le misurazioni ad alta precisione consentono un test sensibile di questa teoria.

"Con il nostro lavoro, siamo ora riusciti a indagare su queste previsioni QED con una risoluzione senza precedenti e, in parte, per la prima volta", riferisce il leader del gruppo Sven Sturm. "Per fare ciò, abbiamo esaminato la differenza nel fattore g per due isotopi di ioni neon altamente carichi che possiedono un solo elettrone". Questi sono simili all'idrogeno, ma con una carica nucleare 10 volte superiore, migliorando gli effetti QED. Gli isotopi differiscono solo per il numero di neutroni nel nucleo quando la carica nucleare è la stessa. ²⁰ Ne ⁹⁺ e ²² Ne ⁹⁺ con 10 e 12 neutroni, rispettivamente, sono stati studiati.

L'esperimento ALPHATRAP presso il Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg fornisce una trappola di Penning appositamente progettata per immagazzinare singoli ioni in un forte campo magnetico di 4 Tesla in un vuoto quasi perfetto. Lo scopo della misurazione è determinare l'energia necessaria per invertire l'orientamento dell'"ago della bussola" (spin) nel campo magnetico. Per fare ciò, viene cercata l'esatta frequenza dell'eccitazione a microonde richiesta per questo scopo. Tuttavia, questa frequenza dipende anche dal valore esatto del campo magnetico. Per determinarlo, i ricercatori sfruttano il movimento degli ioni nella trappola di Penning, che dipende anche dal campo magnetico.

Nonostante l'ottima stabilità temporale del magnete superconduttore qui utilizzato, le piccole fluttuazioni inevitabili del campo magnetico limitano le misurazioni precedenti a circa 11 cifre di precisione.

L'idea del nuovo metodo è quella di immagazzinare i due ioni da confrontare, ²⁰ Ne ⁹⁺ e ²² Ne ⁹⁺ simultaneamente nello stesso campo magnetico in un movimento accoppiato. In un tale movimento, i due ioni ruotano sempre uno di fronte all'altro su un percorso circolare comune con un raggio di soli 200 micrometri", spiega Fabian Heiße, Postdoc all'esperimento ALPHATRAP.

Di conseguenza, le fluttuazioni del campo magnetico hanno effetti praticamente identici su entrambi gli isotopi, quindi non vi è alcuna influenza sulla differenza delle energie ricercate. In combinazione con il campo magnetico misurato, i ricercatori sono stati in grado di determinare la differenza dei fattori g di entrambi gli isotopi con una precisione record a 13 cifre, un miglioramento di un fattore 100 rispetto alle misurazioni precedenti e quindi il confronto più accurato di due g -fattori in tutto il mondo. La risoluzione raggiunta qui può essere illustrata come segue:se, invece del fattore g, i ricercatori avessero misurato la montagna più alta della Germania, lo Zugspitze, con tale precisione, sarebbero in grado di riconoscere i singoli atomi aggiuntivi sulla vetta dall'altezza di la montagna.

I calcoli teorici sono stati eseguiti con una precisione simile nel dipartimento di Christoph Keitel presso MPIK. "Rispetto ai nuovi valori sperimentali, abbiamo confermato che l'elettrone interagisce effettivamente con il nucleo atomico tramite lo scambio di fotoni, come previsto dalla QED", spiega il leader del gruppo Zoltán Harman. Questo è stato ora risolto e testato con successo per la prima volta dalle misurazioni della differenza sui due isotopi del neon. In alternativa, supponendo che i risultati della QED siano noti, lo studio consente di determinare i raggi nucleari degli isotopi in modo più preciso di quanto possibile in precedenza con un fattore 10.

"Al contrario, l'accordo tra i risultati della teoria e dell'esperimento ci consente di vincolare la nuova fisica oltre il modello standard noto, come la forza dell'interazione dello ione con la materia oscura", afferma il postdottorato Vincent Debierre.

"In futuro, il metodo qui presentato potrebbe consentire una serie di esperimenti nuovi ed entusiasmanti, come il confronto diretto di materia e antimateria o la determinazione ultra precisa di costanti fondamentali", afferma il primo autore, il dottor Tim Sailer. + Esplora ulteriormente

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