فیزیکدانان به بهترین اندازه گیری ثابت ساختار ریز دست می یابند



محققان در آزمایشگاه Kastler Brossel در پاریس دقیق ترین اندازه گیری یکی از ثابتهای اساسی را به نام ثابت ساختار ریز انجام داده اند و ابزاری حیاتی برای بررسی توالی صمیمی ترین مدلهای نظری آنها در اختیار فیزیکدانان قرار داده است.

ثابت ساختار ریز قدرت نیروی الکترومغناطیسی را تعیین می کند و در توضیح تعدادی از پدیده ها از جمله فعل و انفعالات بین نور و ذرات بنیادی باردار مانند الکترون اساسی است. این قسمت مهمی از معادلات مدل استاندارد است ، نظریه ای که همه نیروهای اساسی شناخته شده غیر از جاذبه – یعنی الکترومغناطیس ، و همچنین نیروهای هسته ای ضعیف و قوی را پیش بینی و توصیف می کند. این تیم در پاریس مقدار ثابت ساختار ریز را با دقت 11 رقم 1 / 137.035999206 اندازه گیری کردند. نتیجه در مطالعه منتشر شده در طبیعت.

ماسیمو پاسرا از انستیتوی ملی فیزیک هسته ای مستقر در ایتالیا که در این آزمایش دخیل نبود ، گفت: “من از میزان حقیقتی که به دست آمده حیرت زده ام.”

با استفاده از ثابت ساختار ریز در معادلات مدل استاندارد ، گشتاور مغناطیسی الکترون ، خصوصیاتی که توسط یک ذره دارای بار منفی تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی به نمایش گذاشته می شود ، قابل محاسبه است. گشتاور مغناطیسی الکترون یک کاندیدای عالی برای آزمایش مدل استاندارد را می دهد ، همانطور که بارها در آزمایشگاه اندازه گیری شده و از نظر تئوری با درجه دقت بسیار بالایی پیش بینی شده است.

“با تعیین جدید ثابت ساختار ریز ، این مقادیر پیش بینی شده و آزمایشی بهتر از یک قسمت در میلیارد است ، بنابراین یک بررسی انحصاری از توالی مدل استاندارد فیزیک ذرات – به ویژه الکترومغناطیسی آن فراهم می کند بخش ، “می گوید Pasera. “علاوه بر این ، نزدیکی این دو مقدار محدودیت شدیدی در ساختار داخلی الکترون وجود دارد.”

اندازه گیری جدید با استفاده از اتم های روبیدیوم در روشی به نام تداخل سنجی اتمی ، با ضریب سه دقیق تر از تعیین سابقه ثبت سابقه ای است که توسط تیمی از دانشگاه کالیفرنیا ، برکلی ، در آزمایشی با اتم های سزیم به دست آمده است.

به گفته پیر کلود ، که نویسنده مشترک آن است طبیعت مقاله ، بهبود نتیجه “کار مداوم در مراحل کوچک” است. وی گفت ، علاوه بر به روزرسانی های عمده تجهیزات و منابع جدید لیزر ، موفقیت این تیم به دلیل تلاش برای کاهش سر و صدا و اثرات سیستم است. “ما مدلهای زیادی را برای درک عمیق فیزیک آزمایش خود ساخته ایم. سه سال پیش ، ما درک بهتری از تعامل بین یک فوتون و یک اتم روبیدیم پیدا کردیم. “این درک پیشرفته به تیم اجازه می دهد مقدار دقیق تری برای جرم اتم روبیدیم تعیین کند.

“پس از اندازه گیری جرم اتم روبیدیوم ، آن را با جرم نسبی الکترون برای محاسبه ثابت ساختار ریز استفاده می کنیم. هرچه جرم اتم روبیدیوم دقیق تر باشد ، مقدار ثابت ساختار ریز دقیق تر خواهد بود. ”” Saida Gelati-Helifa ، نویسنده اصلی مقاله می گوید.

این آزمایش از چند روش استاندارد برای دستیابی به دقت خیره کننده ، با خنک کننده لیزری ابر اتمهای روبیدیم ، استفاده کرد. شش پرتوی لیزر به اتمها نیرو وارد می کند به گونه ای که سرعت اتم ها را به شدت کاهش می دهد. از آنجا که چنین حرکات حرکتی اتمی زمینه ساز تظاهرات حرارتی در مقیاس کلان هستند ، نتیجه نهایی کاهش سرعت اتم های روبیدیوم ، کاهش درجه حرارت آنها به چهار میکروکلوین خنک کننده و سرد – دقیقاً بالای صفر مطلق یا 15/273 – درجه سانتیگراد است. کلود می گوید: “در چنین دمایی ، اتم مانند ذره و موج رفتار می کند.”

این رفتار موج مانند اتم ها کاملاً متفاوت با امواج آبی است که ما بیشتر با آن آشنا هستیم. در این حالت ، موج مورد نظر به احتمال یافتن یک اتم روبیدیوم در یک موقعیت خاص اشاره دارد. تیم با استفاده از لیزر ، اتم ها را هم در حالت زمینی و هم در حالت برانگیخته آماده کرد (در حالت دوم ، اتم با سرعت کمی بالاتر حرکت می کند). کلود می گوید: “این دو مسیر ایجاد می کند که تقسیم شده و بعداً با هم ترکیب می شوند و یک الگوی تداخل ایجاد می کنند.” “تداخل به سرعت بدست آمده توسط اتم ها پس از جذب فوتون از منبع لیزر بستگی دارد. هنگامی که این میزان پس زدن با تداخل اندازه گیری شد ، می توان جرم اتمی روبیدیوم را بدست آورد. “

به عنوان اولین گام ، تیم انجام آزمایش را تقریباً در طول سال در دسامبر 2018 آغاز کرد و برای اطمینان از عملکرد صحیح تجهیزات آنها ، داده هایی را جمع آوری کرد.

“در حالی که ما چنین آزمایشاتی را انجام می دهیم ، فرایندهای فیزیکی مختلفی وجود دارد که اساس آنچه اندازه گیری می شود است. هر فرآیند با ایجاد خطا می تواند به طور بالقوه بر دقت اندازه گیری تأثیر بگذارد. ما باید اشتباهات را درک و ارزیابی کنیم تا اصلاحاتی انجام دهیم. “Guellati-Helifa ، که بیش از 20 سال ثابت ساختار خوب را اندازه گیری می کند ، می گوید.

پس از انجام تنظیمات ، تیم اندازه گیری های نهایی را طی یک ماه انجام داد و در نهایت مقدار ساختار ریز را با دقت 81 قسمت در تریلیون ثابت کرد.

به گفته پاسرا ، تلاش برای یافتن مقادیر دقیق ثابتهای اساسی ، مکمل آزمایشهای مبتنی بر شتاب دهنده ذرات است که از انرژیهای عظیم برای ایجاد ذرات جدید و بی سابقه بهره می گیرند.

“آزمایشات انبوه ، مانند آزمایشگاههای Kastler Brossel یا Berkeley ، با انرژی بسیار کم انجام می شود. با این حال ، اندازه گیری های بسیار دقیق آنها می تواند به طور غیرمستقیم وجود ذره ای یا حتی ذره ای را که ممکن است هنوز در انرژی های زیاد به طور مستقیم قابل مشاهده نباشد ، نشان دهد. پاسرا می گوید: “حتی آخرین ارقام اندازه گیری دقیق نیز داستانی برای گفتن دارند.”

به عنوان مثال ، میون ، پسر عموی الکترون را در نظر بگیرید که دویست برابر سنگین تر است. مانند الکترون ، میون نیز در معرض یک میدان مغناطیسی قرار دارد و یک لحظه مغناطیسی از خود نشان می دهد. بعلاوه ، مانند الکترون ، بین مقادیر نظری و تجربی گشتاور مغناطیسی میون تفاوت وجود دارد.

اختلاف در این زمینه با توجه به انحراف استاندارد تعیین می شود ، که ترکیبی از تفاوت بین دو مقدار و عدم قطعیت مربوط به محاسبه نظری و اندازه گیری آزمایشی هر مقدار است.

در مورد الکترون ، اندازه گیری آزمایشی گشتاور مغناطیسی 1.6 انحراف معیار نسبت به پیش بینی نظری مبتنی بر ثابت ساختار ظریف اندازه گیری شده توسط گروه پاریس است. در حالی که ارزش تجربی میون ، اعلام شده و بهبود یافته در سه مقاله منتشر شده بین سال های 2002 و 2006 ، 3.7 انحراف معیار بالاتر از رقم پیش بینی شده توسط تئوری مدل استاندارد است.

فیزیکدانان اکنون منتظر اولین نتایج آزمایش “Muon g-2” در Fermilab هستند که انتظار می رود دقیق ترین اندازه گیری آزمایشی گشتاور مغناطیسی میون را ارائه دهد. اگر این مقدار از پنج انحراف استاندارد از تئوری – استاندارد طلای کشف در فیزیک ذرات – فراتر رود ، این شواهد قانع کننده ای از فیزیک جدید فراتر از مدل استاندارد خواهد بود.

به طور کلی ، وقتی صحبت از پیش بینی نظری گشتاور مغناطیسی با استفاده از مدل استاندارد می شود ، عدم تطابق میون به اندازه الکترون دقیقاً به اندازه دقیق ساختار حساس نیست. به گفته الکس کشاورزی ، که عملیات را مدیریت می کند و تلاش برای تجزیه و تحلیل آزمایش Muon g-2 را بر عهده دارد ، “اندازه گیری جدید ثابت دانه ریز برای عدم تطابق میون جالب است.”

کشاورزی ، که بخشی از یک گروه تحقیقاتی در پاریس نیست ، می گوید اگر فیزیک جدیدی از نتایج اندازه گیری g-2 Muon پدید آید ، اختلافات مثبت هم برای الکترون و هم برای ایجاد میون باعث می شود که مدل ها و توضیحات آسان تر شود. اگر این اختلافات در جهت مخالف باشد.

با این حال ، وی اضافه کرد که حتی علاوه بر اتصال بالقوه آن با میون ، اندازه گیری الکترونیکی آزمایش با ساختار خوب گروه پاریسی رمز و رازهای دیگری را نیز معرفی کرد – یعنی اینکه چرا ایجاد شده است مثبت انحراف استاندارد 1.6 ، در حالی که آزمایش 2018 در برکلی منجر شد منفی انحراف 2.5.

به گفته کلود ، آزمایش های انجام شده در پاریس و برکلی بر اساس همین فیزیک است که واگرایی را ناشناخته می کند. “من فکر نمی کنم این اختلاف به دلیل استفاده از سزیم یا روبیدیوم باشد. احتمالاً در یکی از این دو آزمایش چیزی وجود دارد که ممکن است گزارش نشده باشد. این چیزی است که اکنون باید سعی کنیم آن را درک کنیم. “


منبع: khabar-dirooz.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*