वैज्ञानिकों ने क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स का पहले से कहीं अधिक सटीक परीक्षण किया है

प्रत्येक इलेक्ट्रॉन में एक चुंबकीय क्षण होता है जो स्वयं को a . में व्यवस्थित करता है चुंबकीय क्षेत्र. तथाकथित जी-कारक द्वारा दिए गए इस चुंबकीय क्षण की ताकत का अनुमान क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स द्वारा असाधारण सटीकता के साथ लगाया जा सकता है। समस्थानिकों के बीच अंतर का अध्ययन करते समय, समान इलेक्ट्रॉन विन्यास के कारण कई सामान्य QED योगदान रद्द कर दिए जाते हैं, जिससे परमाणु अंतर के कारण होने वाले जटिल प्रभावों को हल करना संभव हो जाता है। हालांकि, प्रयोगात्मक रूप से, यह जल्दी से सीमित हो जाता है, खासकर आयनिक द्रव्यमान की सटीकता या चुंबकीय क्षेत्र की स्थिरता से।

हीडलबर्ग में मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर न्यूक्लियर फिजिक्स (MPIK) के वैज्ञानिकों ने एक नई माप तकनीक की सूचना दी है जो इन सीमाओं को पार कर जाती है। अपनी तकनीक का उपयोग करते हुए, उन्होंने आयन ट्रैप में दो अत्यधिक आवेशित नियॉन समस्थानिकों के चुंबकीय गुणों में बहुत कम अंतर को पहले से दुर्गम परिशुद्धता पर मापा।

समूह के नेता स्वेन स्टॉर्म ने कहा, “हमारे काम के माध्यम से, हम अब पहली बार अभूतपूर्व सटीकता के साथ इन क्यूईडी भविष्यवाणियों की जांच करने में सफल हुए हैं। ऐसा करने के लिए, हमने अत्यधिक चार्ज किए गए नियॉन आयनों के दो आइसोटोप के जी-कारक में अंतर देखा है केवल एक इलेक्ट्रॉन।”

इस अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने दो समस्थानिकों का उपयोग किया: 20Ne9+ और 22Ne9+। दोनों समस्थानिक केवल की संख्या में भिन्न होते हैं न्यूट्रॉन नाभिक में लेकिन समान परमाणु आवेश होता है। उनके पास क्रमशः 10 और 12 न्यूट्रॉन हैं।

अल्फाट्रैप प्रयोग में एक कस्टम-निर्मित पेनिंग ट्रैप का उपयोग किया जाता है मैक्स प्लैंक संस्थान हीडलबर्ग परमाणु भौतिकी के लिए लगभग पूर्ण निर्वात में 4 टेस्ला के एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र में एकल आयनों को संग्रहीत करने के लिए। प्रयोग का लक्ष्य यह पता लगाना है कि चुंबकीय क्षेत्र में “कम्पास सुई” दिशा (रोटेशन) को फ़्लिप करने के लिए कितनी ऊर्जा की आवश्यकता है।

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इसके लिए माइक्रोवेव उत्तेजना की सटीक आवृत्ति की आवश्यकता होती है, जो चुंबकीय क्षेत्र के सटीक मूल्य पर निर्भर करती है। वैज्ञानिकों ने इसे पेनिंग ट्रैप में आयनों की गति का दोहन करके निर्धारित किया, जो चुंबकीय क्षेत्र पर भी निर्भर करता है।

सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट की उत्कृष्ट अस्थायी स्थिरता के बावजूद, चुंबकीय क्षेत्र में छोटे, अपरिहार्य अंतर पिछले टिप्पणियों को सटीकता के लगभग 11 अंकों तक सीमित करते हैं।

अल्फाट्रैप परीक्षण में पोस्टडॉक फैबियन हेइस ने कहा, नई विधि का विचार तुलना किए जाने वाले आयनों, 20Ne9+ और 22Ne9+ को एक साथ एक ही चुंबकीय क्षेत्र में युग्मित गति के साथ संग्रहीत करना है। इस तरह की गति में, दो आयन हमेशा एक दूसरे के खिलाफ एक सामान्य वृत्ताकार पथ पर केवल 200 माइक्रोमीटर की त्रिज्या के साथ घूमते हैं।”

नतीजतन, चुंबकीय क्षेत्र में परिवर्तन का दोनों समस्थानिकों पर लगभग समान प्रभाव पड़ता है, जिसका अर्थ है कि वांछित ऊर्जा में अंतर का कोई प्रभाव नहीं पड़ता है। वैज्ञानिकों ने दोनों समस्थानिकों के लिए जी-कारकों में अंतर को 13 की एक मानक परिशुद्धता के लिए निर्धारित किया, जब मापा चुंबकीय क्षेत्र के साथ संयुक्त, पिछले मापों पर 100 सुधार का एक कारक, इस प्रकार दुनिया में दो जी-कारकों की सबसे सटीक तुलना .

यहां हासिल की गई सटीकता को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है: यदि, जी-फैक्टर के बजाय, वैज्ञानिक जर्मनी के सबसे ऊंचे पर्वत, ज़ुगस्पिट्ज़ को मापते हैं, तो वे इतनी सटीकता के साथ शिखर पर अतिरिक्त व्यक्तिगत परमाणुओं को पहाड़ की ऊंचाई के साथ पहचानने में सक्षम होंगे।

समूह के नेता ज़ोल्टन हरमन ने कहा, “नए प्रयोगात्मक मूल्यों की तुलना में, हमने पुष्टि की कि इलेक्ट्रॉन वास्तव में फोटॉन के आदान-प्रदान के माध्यम से परमाणु नाभिक के साथ बातचीत कर रहा है, जैसा कि क्यूईडी द्वारा भविष्यवाणी की गई है। इसे अब हल किया गया है और दो आइसोटोप पर विभिन्न मापों द्वारा पहली बार सफलतापूर्वक परीक्षण किया गया है। नियॉन का। इसके बजाय, यह मानते हुए कि क्यूईडी परिणाम ज्ञात हैं, अध्ययन आइसोटोप के परमाणु त्रिज्या के निर्धारण की अनुमति देता है जो पहले से 10 के कारक से अधिक सटीकता के साथ संभव था। “

पोस्टडॉक्टोरल शोधकर्ता विन्सेंट डिपियरे ने कहा, इसके विपरीत, सिद्धांत और प्रयोग के परिणामों के बीच समझौता हमें ज्ञात से परे नई भौतिकी को बाधित करने की अनुमति देता है मानक प्रपत्रआयन के साथ बातचीत की ताकत के रूप में गहरे द्रव्य. “

प्रथम लेखक डॉ. टिम विक्रेता उसने बोलाऔर यह “भविष्य में, यहां प्रस्तुत विधि कई नए और रोमांचक प्रयोगों की अनुमति दे सकती है, जैसे कि पदार्थ और एंटीमैटर की सीधी तुलना या मौलिक स्थिरांक का बहुत सटीक निर्धारण।”

जर्नल संदर्भ:

  1. टिम सेलर एट अल। , युग्मित आयनों में इलेक्ट्रॉन-बाध्य जी-कारक अंतर का मापन, प्रकृति (2022)। डीओआई: 10.1038 / एस41586-022-04807-डब्ल्यू
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