Фізики вирахували досі найточніше значення сталої тонкої структури – показника, що описує базові взаємодії світла з зарядженими частинками. Нове значення майже втричі точніше, ніж попередні, воно підтверджує, зокрема, що електрони – насправді неподільні елементарні частинки. Крім того, новий показник звузив список кандидатів на частинки темної матерії, повідомили вчені в журналі «Nature».
Зображення: Blackjack3D/ iStock.
Стала тонкої структури α описує електромагнітну взаємодію, зокрема силу взаємодії світла із зарядженими елементарними частинками мюонами та електронами. На підставі цієї сталої виводять чимало інших базових величин та квантовофізичних взаємодій, її вважають визначальною для стандартної моделі фізики. Тож важливо її точно визначати.
Досі найбільш точне значення сталої тонкої структури вирахували науковці на чолі з Лео Морелем (Leo Morel) із Сорбоннського університету в Парижі. Для цього вони використали той факт, що атоми при поглинанні фотонів змінюють свій енергетичний стан і піддаються своєрідній віддачі. Зі швидкості віддачі можна вивести масу атома. Поєднавши масу електронів та енергію зв’язку електронів в атомах водню, дослідники планували визначити сталу тонкої структури.
Для свого експерименту науковці використали ультрахолодні атоми рубідію, які за допомогою магнітного поля та лазерних імпульсів піднімали у вакуумній трубці, а потім вимірювали дистанцію, де атоми падали. Атоми поглинали фотони, а в результаті віддачі у делікатний спосіб змінювали фази декількох вимірювальних лазерів.Так Морел та його команда визначили швидкість віддачі і використали її для своїх обрахунків сталої тонкої структури як обернене число 1/α.
Результатом стало досі найточніше значення сталої тонкої структури. Її обернене число становить α⁻¹ = 137,035999206(11). Коефіцієнт непевності, за словами вчених, становить 8,1 x 10⁻¹¹ або 81-мільярдну частку. Тобто число виявилося майже втричі точніше, ніж усі попередні вимірювання, сказав Морел та його команда. Отримавши нове значення, вчені створили умови для перевірки інших сталих та основних передбачень стандартної моделі.
«Ці результати підтвердили, наприклад, що електрон не має жодних підструктур і насправді є елементарною частинкою, – прокоментував дослідження фізик Гольґер Мюллер (Holger Müller) із Каліфорнійського університету в Берклі. – Якби електрон складався з менших частинок, він мав би інший магнітний момент». Останнє число можна з’ясувати на підставі сталої тонкої структури.
Дослідження дає змогу робити припущення й про «темний бік» космосу. Адже уточнене значення сталої тонкої структури обмежує ймовірні ознаки, якими мають бути наділені частинки темної матерії. Йдеться про «темні бозони» – гіпотетично частинки повідомлень (messenger particles), існування яких деякі вчені обґрунтовують аномаліями при квантових стрибках ітербію та берилію. Проте отримані показники, поєднані з попередніми вимірюваннями, майже цілком виключають можливість існування цих частинок, повідомили Морел та його команда. Адже темні бозони мали б делікатно, але помітно змінювати магнітний момент електронів. Виміряна зараз стала тонкої структури не дає жодних свідчень такого впливу.
Отримані результати піднімають одне питання: новий показник сталої тонкої структури хоч і досі найточніший, але на понад п'ять стандартних відхилень відрізняється від двох попередніх показників. Один із них надало вимірювання, яке також здійснювали Морел і його колеги, інше значення на підставі атомної інтерференції атомів цезію вивів Мюллер і його команди в Берклі. «Зараз експериментатори готуються пояснити походження цих розбіжностей і знову випробувати стандартну модель», – сказав Мюллер.
Nadja Podbregar
Neuer Wert für die Feinstrukturkonstante
Nature, CNRS, 3/12/2020; doi: 10.1038/s41586-020-2964-7
Зреферувала С. К.
09.12.2020