Usando uma técnica recém-desenvolvida, cientistas do Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) em Heidelberg mediram a diferença muito pequena nas propriedades magnéticas de dois isótopos de néon altamente carregado em uma armadilha de íons com precisão anteriormente inacessível. A comparação com cálculos teóricos igualmente extremamente precisos dessa diferença permite um teste de nível recorde da eletrodinâmica quântica (QED). A concordância dos resultados é uma confirmação impressionante do modelo padrão da física, permitindo conclusões sobre as propriedades dos núcleos e estabelecendo limites para a nova física e a matéria escura.
Os elétrons são alguns dos blocos de construção mais fundamentais da matéria que conhecemos. Eles são caracterizados por algumas propriedades muito distintas, como sua carga negativa e a existência de um momento angular intrínseco muito específico, também chamado de spin. Como uma partícula carregada com spin, cada elétron tem um momento magnético que se alinha em um campo magnético semelhante a uma agulha de bússola. A força desse momento magnético, dada pelo chamado fator g, pode ser prevista com extraordinária precisão pela eletrodinâmica quântica. Este cálculo está de acordo com o fator g medido experimentalmente com uma precisão de 12 dígitos, uma das combinações mais precisas de teoria e experimento em física até hoje. No entanto, o momento magnético do elétron muda assim que ele não é mais uma partícula "livre", ou seja, não afetada por outras influências, mas sim ligada a um núcleo atômico, por exemplo. As pequenas mudanças do fator g podem ser calculadas por meio de QED, que descreve a interação entre elétron e núcleo em termos de troca de fótons. Medições de alta precisão permitem um teste sensível desta teoria.

“Com nosso trabalho, agora conseguimos investigar essas previsões de QED com resolução sem precedentes e parcialmente, pela primeira vez”, relata o líder do grupo Sven Sturm. "Para fazer isso, analisamos a diferença no fator g para dois isótopos de íons de néon altamente carregados que possuem apenas um único elétron". Estes são semelhantes ao hidrogênio, mas com carga nuclear 10 vezes maior, potencializando os efeitos QED. Os isótopos diferem apenas no número de nêutrons no núcleo quando a carga nuclear é a mesma. ²⁰ Ne ⁹⁺ e ²² Ne ⁹⁺ com 10 e 12 nêutrons, respectivamente, foram investigados.

O experimento ALPHATRAP no Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg fornece uma armadilha Penning especialmente projetada para armazenar íons únicos em um forte campo magnético de 4 Tesla em um vácuo quase perfeito. O objetivo da medição é determinar a energia necessária para inverter a orientação da "agulha da bússola" (spin) no campo magnético. Para isso, procura-se a frequência exata da excitação de micro-ondas necessária para esse fim. No entanto, esta frequência também depende do valor exato do campo magnético. Para determinar isso, os pesquisadores exploram o movimento de íons na armadilha de Penning, que também depende do campo magnético.

Apesar da estabilidade temporal muito boa do ímã supercondutor usado aqui, pequenas flutuações inevitáveis ​​do campo magnético limitam as medições anteriores a cerca de 11 dígitos de precisão.

A ideia do novo método é armazenar os dois íons a serem comparados, ²⁰ Ne ⁹⁺ e ²² Ne ⁹⁺ simultaneamente no mesmo campo magnético em um movimento acoplado. Nesse movimento, os dois íons sempre giram em oposição um ao outro em um caminho circular comum com um raio de apenas 200 micrômetros", explica Fabian Heiße, pós-doutorando no experimento ALPHATRAP.

Como resultado, as flutuações do campo magnético têm efeitos praticamente idênticos em ambos os isótopos, portanto não há influência na diferença das energias pesquisadas. Combinado com o campo magnético medido, os pesquisadores foram capazes de determinar a diferença dos fatores g de ambos os isótopos com precisão de registro de 13 dígitos, uma melhoria por um fator de 100 em comparação com medições anteriores e, portanto, a comparação mais precisa de dois g -fatores em todo o mundo. A resolução alcançada aqui pode ser ilustrada da seguinte forma:se, em vez do fator g, os pesquisadores tivessem medido a montanha mais alta da Alemanha, o Zugspitze, com tanta precisão, eles seriam capazes de reconhecer átomos adicionais individuais no cume pela altura de a montanha.

Os cálculos teóricos foram realizados com precisão semelhante no departamento de Christoph Keitel na MPIK. "Em comparação com os novos valores experimentais, confirmamos que o elétron realmente interage com o núcleo atômico por meio da troca de fótons, conforme previsto pelo QED", explica o líder do grupo Zoltán Harman. Isso agora foi resolvido e testado com sucesso pela primeira vez pelas medições de diferença nos dois isótopos de néon. Alternativamente, assumindo que os resultados QED são conhecidos, o estudo permite que os raios nucleares dos isótopos sejam determinados com mais precisão do que anteriormente possível por um fator de 10.

"Por outro lado, a concordância entre os resultados da teoria e do experimento nos permite restringir a nova física além do modelo padrão conhecido, como a força da interação do íon com a matéria escura", afirma o pós-doutorando Vincent Debierre.

"No futuro, o método apresentado aqui pode permitir uma série de experimentos novos e excitantes, como a comparação direta de matéria e antimatéria ou a determinação ultra-precisa de constantes fundamentais", afirma o primeiro autor Dr. Tim Sailer. + Explorar mais

Investigando as propriedades magnéticas do hélio-3