За първи път физици измерват директно константата на фината структура

Ваня Милева Последна промяна на 13 декември 2022 в 00:01 2406 0

Ъгъл на въртене: Източник на светлина (вляво) изпраща сноп светлина през топологичен изолатор с вътрешно магнитно поле (в средата), като променя посоката на поляризация с ъгъл, който се определя от константата на фината структура. Кредит: Tatiana Lysenko / TU Wien

Стойността на константата на фината структура - може би най-важната константа в природата, тъй като тя диктува силата на електромагнетизма - е измерена директно от изследователи от Австрия и САЩ.

Използваната от тях техника включва измерване на това колко се завърта поляризацията на светлината при преминаването ѝ през магнитен топологичен изолатор и въпреки че не е толкова точна, колкото други методи, изследователите смятат, че нейната директност може да доведе до по-чисти тестове за това дали тази константа се променя с времето.

Константата на фината структура, означена с α, е безразмерно число с физическа интерпретация, която се е развила заедно с разбирането на физиците за електромагнетизма. Когато Арнолд Зомерфелд я въвежда през 1916 г., тя е скоростта на електрона в първата кръгова орбита на модела на Бор на атома, разделена на скоростта на светлината във вакуум.

В квантовата електродинамика това е константата на свързване, която определя силата на взаимодействията между електроните и фотоните. Това, което остава безспорно, обаче, е нейната централна роля във физиката, както и фактът, че тя не може да бъде изчислена теоретично - тя е свободен параметър, който трябва да бъде вкаран в Стандартния модел на физиката на елементарните частици. Стойността му е около 1/137 и ако той е дори малко по-различен - може би само 1/138 - това би пренаписало правилата на химията и би променило звездния ядрен синтез до такава степен, че животът не би могъл да съществува.

Търсене на α

Поради това физиците се стремят да определят α възможно най-точно и, което е от решаващо значение, да установят дали тя всъщност е останала постоянна в космологичната история. Най-точното измерване до момента - 1/137,03599920611, с неопределеност 81 части на трилион - е направено чрез използване на отката на рубидиевите атоми при удар с фотони за измерване на масата на атомите. Други изследователи са я измервали, използвайки магнитния момент на електрона или въртящия момент, който изпитва електронът в магнитно поле, но всички досегашни измервания са били косвени: "Измервате няколко различни числа и след това ги разделяте или умножавате и накрая получавате константата на фината структура", обяснява Андрей Пименов от Виенския технологичен университет (TU Wien), който ръководи новото измерване.

Необходимостта от множество измервания усложнява усилията за постигане на по-висока точност и би затруднила тълкуването на неочаквани отклонения. "Представете си, че измервате константата на фината структура и виждате, че нещо се е променило", обяснява Пименов. "Ако вашият експеримент е бил комбинация от няколко различни експеримента, вие не знаете кой конкретен експеримент и кое конкретно число е било причина за тази промяна."

Квантово изместване на поляризацията

В последното изследване, публикувано в Applied Physics Letters, Пименов и колегите му от ТУ Виена и Калифорнийския университет в Лос Анджелис, САЩ, пропускат поляризирано терахерцово лъчение през топологичен изолатор с химична формула (Cr0.12Bi0.26Sb0.62)2Te3 и наблюдават как се променя неговата поляризация. Благодарение на взаимодействията на фотоните с електромагнитните полета, прилагането на магнитно поле може да доведе до завъртане на поляризацията на светлината. При силни полета и ниски температури тези промени в поляризацията са квантови - явление, известно като квантов ефект на Хол*.

*При ефекта на Хол системите са изложени на изключително високи магнитни полета или изключително ниски температури. Неговите ефекти се проявяват като възникване на напречно ориентирано електрично поле при поставянето на проводник с протичащ по него постоянен ток в магнитно поле. Електрическият ток е свързан с температурния градиент на системата или изкривяване в геометрията на пространство-времето.

Размерът на тези квантови премествания е пропорционален на константата на фината структура, така че по принцип всеки материал, който проявява квантовия ефект на Хол, може да се използва за измерването му. Но има една уловка:

"В нормалните случаи е необходимо да се прилагат мощни магнитни полета", обяснява Пименов. Тогава силата на това приложено поле се появява в уравненията, което затруднява калибрирането.

Използваният от Пименов и колегите му материал обаче съдържа хромови йони. Те придават на материала вътрешно магнитно поле, което означава, че поляризацията на падащото електромагнитно излъчване се върти дори без приложено поле (квантов аномален ефект на Хол). И още по-добре, тъй като материалът е топологичен изолатор, това магнитно поле е топологичен инвариант. Следователно, когато плоскополяризираната светлина преминава през материала, нейната поляризация се завърта с точно цяло число, кратно на константата на фината структура.

"За да се докаже това, трябва да се напишат някои сложни топологични уравнения, но не може да има 0,5α или 0,6α", обяснява Пименов. "Това е или -1, или +1."

"Само първият експеримент"

Стойността, която Пименов и колегите му получават за константата на фината структура, е, както се очаква, приблизително 1/137. Въпреки това той признава, че "точността ни не е толкова добра", защото "това е само първият експеримент".

Запитан за изследването, Ли Ге (Li Ge) от Градския университет на Ню Йорк, САЩ, отбелязва, че го намира за "интересно", въпреки че добавя, че "изглежда, че изследователите вече са получили по-голямата част от резултатите си в предишна публикация". Затова Ге предполага, че единственият нов резултат в последната работа е, че дясната страна на едно уравнение е пропорционална на константата на фината структура. Пименов обаче твърди, че работата представлява значителен напредък:

"Основният резултат от тази работа е възможността да се получи фундаментална физична константа в пряк експеримент, който не зависи от никакви други измервания или калибрирания", посочва Ге. "Напротив, в предишната работа не бяха измерени никакви фундаментални константи".

Справка: Universal rotation gauge via quantum anomalous Hall effect featured
Alexey Shuvaev, Lei Pan, Lixuan Tai, Peng Zhang, Kang L. Wang and Andrei Pimenov
Appl. Phys. Lett. 121, 193101 (2022); https://doi.org/10.1063/5.0105159 

Източник: Physicists measure the fine structure constant directly for the first time, Physics World

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !