澎湃新聞記者 王蕙蓉
近日，中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院與澳大利亞、加拿大科學(xué)家，合作實現(xiàn)了“隱形”原子幻零波長精密計算，開辟量子電動力學(xué)理論檢驗的新方法。
量子電動力學(xué)(QED)是描述粒子間電磁相互作用的基本物理理論，是支撐現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的基石。對QED理論的嚴(yán)格檢驗，有助于確定基本物理常數(shù)、探究原子核相關(guān)性質(zhì)、以及探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型以外的新物理。因此，自QED理論提出近80年以來，人們對QED理論的檢驗從未間斷。迄今QED理論檢驗的方法有電子反常磁矩的精確確定，但較少有電子原子分子精密譜的研究。
此次，中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院的原子分子外場理論組研究員唐麗艷、副研究員張永慧等與澳大利亞國立大學(xué)、加拿大溫莎大學(xué)合作，實現(xiàn)了氦原子413nm（納米）幻零波長的精確計算和精密測量，開辟了“隱形”原子幻零波長精密測量檢驗QED理論的新途徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)》(Science)期刊。
圖片來自《科學(xué)》(Science)
不同于檢驗QED理論的傳統(tǒng)能譜測量方法，此次研究采用“隱形”原子的幻零波長對QED進(jìn)行檢驗。幻零波長指當(dāng)激光波長調(diào)制到特定的頻率時，原子單個能態(tài)的斯塔克頻移為零，原子在激光場中就如隱形一般。
前述中外團(tuán)隊通過改變磁阱中氦原子玻色愛因斯坦凝聚體的空間振蕩頻率，來測量光學(xué)偶極勢的新方法，同時結(jié)合高精度原子結(jié)構(gòu)理論計算，實現(xiàn)了在三百萬分之一水平上對QED理論的新檢驗。澳大利亞國立大學(xué)K.Baldwin實驗組完成了幻零波長實驗測量工作，中科院精密測量院團(tuán)隊和溫莎大學(xué)教授G.W.F.Drake負(fù)責(zé)理論計算工作。
實驗方案，圖片來自中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院
利用幻零波長檢驗原子QED理論的方案，最早由唐麗艷和澳大利亞查爾斯達(dá)爾文大學(xué)J.Mitroy教授在2013年從理論方面提出。2015年，澳大利亞國立大學(xué)K.Baldwin實驗小組與理論團(tuán)隊合作實現(xiàn)了氦原子幻零波長5ppm（ppm為10的負(fù)六次方，即百萬分之一）精度下的實驗測量。當(dāng)時的實驗測量與理論預(yù)言之間存在134ppm差異。為了揭示這一差異，理論團(tuán)隊自主發(fā)展了系列高精度的原子結(jié)構(gòu)計算方法，實現(xiàn)了精度為0.1ppm水平的理論預(yù)言，為新一輪國際合作起到推進(jìn)作用。
自2019年，理論與實驗團(tuán)隊再度合作。此次，研究人員利用最靈敏的測量光偶極勢的方法識別出只有10的負(fù)35次方焦耳(J)的峰值勢能，實現(xiàn)了“隱形”氦原子幻零波長精度高達(dá)0.35ppm的實驗測定，測量精度較2015年實驗提高20倍。同時，理論上精確計算了延遲效應(yīng)和磁化率對幻零波長的修正，精度達(dá)10ppb（ppb為10的負(fù)9次方，即十億分之一）水平。通過實驗測量與理論計算相比較，證實幻零波長對QED修正和延遲效應(yīng)的敏感性，印證了唐麗艷和J.Mitroy提出的理論預(yù)言。
實驗不確定度與理論計算誤差的對比，以及理論計算中各項修正的貢獻(xiàn)，圖片來自中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院
未來，前述實驗測量精度有望提高一個數(shù)量級，達(dá)到30ppb水平。在此精度下，一方面可以拓寬人們對于QED理論的認(rèn)知，另一方面可能探測到原子核的相關(guān)效應(yīng)，為從“隱形”原子角度探究核結(jié)構(gòu)性質(zhì)開辟了新的研究窗口。
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