电子的高精度测量精度提高了13倍

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电子的高精度测量精度提高了13倍

绝对轻量级的标度:物理学家使用此penning陷阱通过迫使电子与碳12核一起遵循螺旋轨迹来确定电子的质量

碳离子的旋转频率是计算的输入,最终提供了非常精确的电子质量值

图片提供:sven sturm / mpi,用于核物理

马克斯·普朗克研究所的物理学家已经实现了电子原子质量的高精度测量,其精确度是以前已知的13倍

电子是我们世界的量子胶

没有电子,就不会有化学反应,光将无法与物质相互作用

如果电子只比它们重一点或轻一点,那么世界将大为不同

但是,如何称得如此微小以至于到目前为止却仍被认为是点状的粒子呢?现在,这项成就是在一个合作项目中实现的,该项目涉及海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的物理学家,他们将电子质量的称重比以前已知的精确了13倍

由于电子质量涉及基本物理常数,因此对基本物理意义重大

海德堡马克斯·普朗克核物理研究所所长克劳斯·布劳姆(klaus blaum)表示,通常情况下,您需要进行10到20年的精密物理学研究,才能将基本值提高单个数量级

最新结果在科学会议上产生了巨大的反响

在短短几年内,由海德堡团队领导的合作研究成功地将电子质量的值确定了13倍

项目负责人斯文·斯特姆(sven sturm)解释说,用于电子秤的极高灵敏度通过以下方式达到此结果

物理学家现在知道电子的质量到11位小数这一事实非常重要,因为电子几乎无处不在

仅阅读此文本即意味着电子必须将光转换为眼睛中的神经冲动

根据目前的知识,这些微小的颗粒没有空间范围,因此本质上具有巨大的力量

它们的质量尤其与基本物理常数的值相关

一个例子是精细结构常数,它确定原子和分子的形状和特性

布劳姆说,它基本上描述了我们能看到的一切,因为它在光与物质之间的相互作用中起着核心作用

如果大自然赋予电子的质量只有一点点不同,原子看起来就会完全不同

这样的世界可能很奇怪

电子质量与碳核一起测量

在所谓的物理标准模型中,电子的质量也是一个中心变量,该模型描述了四个当前已知的物理基本力中的三个

尽管该模型运行良好,但现在很明显它的有效性受到限制

然而,标准模型的局限性在哪里,这是一个悬而未决的问题

因此,对电子质量的精确了解可能对寻找以前未知的物理相互关系至关重要

由克劳斯·布劳姆(klaus blaum)和斯文·斯特姆(sven sturm)领导的物理学家团队进行了一项独创的实验,以确定电子的质量非常小

原则上,称量需要参考以进行比较

blaum解释说,如果您是早上使用秤,在旧的机械模型中,这是弹簧

梁秤有一个配重作为参考<太阳2娱乐app下载p>在电子的情况下,物理学家面临的问题是所有可以有效地用作参考砝码的基本粒子都重得多

布劳姆解释说,例如,质子或中子的重量是重的2000倍,这就像试图用大象作为对重来称量兔子

因此,对于他们的实验,物理学家们采用了一种狡猾的策略

尽管他们将两个非常不相等的质量聚集在一起,但他们甚至没有尝试借助原子象直接称重电子兔子

美因兹大学的布劳斯博士生sven sturm进行了实验

他说,主要的挑战是开发测量方法

作为博士后,他继续领导该团队,对电子质量进行精确测量

物理学家将单个电子与极重的碳(c)12同位素的裸核配对

选择该碳同位素时要谨慎考虑,因为它是原子质量单位的基础

根据定义,c 12的质量是确切已知的,并且将其用作参考排除了主要的误差源

sturm强调,控制系统错误绝对至关重要

潘宁陷阱使碳离子在电路中加速运动

电子如何称重?在penning阱(左)中,磁场(黑色箭头)迫使带有单个电子的碳12核遵循螺旋线(右)

从简化的角度来看,该电路可以被视为圆形路径(绿色)

可以基于旋转频率确定带有一个电子的碳12核的精确质量

然后,通过使用量子力学将具有5个电荷的碳原子的质量与电子自旋的进动相关联来获得电子的质量(黑线,右)

图片提供:sven sturm / mpi,用于核物理

物理学家从六个碳原子中释放出五个电子,以制备具有单个电子的c12原子核

带有五个碳核和一个电子的电荷的剩余碳离子被设置成围绕一个电路竞速运动,该电路以高度简化的方式被视为圆形

具有极均匀磁场的所谓的潘宁阱(penning trap)迫使碳离子沿着该圆形路径运动

blaum解释说,该方法背后的思想是:进行精确测量时,目标始终是使测量变量精确可数:在赛车的一级方程式比赛中,观众可以计算赛车经过多少次射击并且,如果他们知道赛道的长度,就可以估算汽车的速度

彭宁陷阱的情况与此类似

但是,在这种情况下,物理学家甚至能够测量整个电路的最小部分

在第二步中,量子力学是有帮助的,然后需要用它来确定电子的质量

电子具有所谓的自旋,使它们像微型磁铁一样起作用

在penning陷阱的强磁场中,这种自旋像微小的陀螺仪一样进动或摆动

尽管进动非常迅速,但是物理学家还是有一种精确测量的策略

关键在于陷阱中碳离子的旋转频太阳2娱乐app下载率与电子进动的摆动频率之间具有精确的比例

像齿轮机构一样,量子力学将碳离子的质量牢固地链接到电子的质量上,因此可以测量

只有理论上的贡献才能测量电子质量

但是,在这种机制中,人们对齿轮的了解却很少,这就是所谓的g因子或旋磁因子

blaum解释说,这就是我们与研究所的christoph keitels theory group密切合作的关键所在

基于同一合作的先前结果,由组长佐尔特·哈曼(zoltn harman)领导的研究所理论家能够比过去更精确地计算g因子,从而可以精确确定电子质量

此类高精度实验得益于与科学家合作的方法,他们可以贡献不同的专业知识

来自达姆施塔特的gsi helmholtzzentrum和schwerionenforschung的物理学家以及美因茨的约翰内斯·古腾堡大学做出了重大贡献

结果是一个奇妙的精确数字,揭示了一个电子具有质子质量的1 / 1836.15267377

用千克表示,电子质量大约是不可想象的10-30千克,即小数点后三十个零

尽管电子确实是轻质的,但它在自然界中起着举足轻重的作用

出版物:s

sturm等人,《电子原子质量的高精度测量》,自然506,467470(2014年2月27日);doi:10.1038 / nature13026

太阳2娱乐app下载综合报道

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