Учёные из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе добились самой высокой точности в истории измерений отношения массы протона к массе электрона, используя молекулярные ионы водорода, захваченные с помощью квантовых технологий, чтобы расширить границы фундаментальной физики. Этот прорыв, опубликованный 8 сентября 2025 года в журнале Nature, на три порядка увеличивает точность по сравнению с предыдущими измерениями и открывает новые возможности для проверки основ нашего понимания материи.
Исследовательская группа под руководством профессора Штефана Шиллера и доктора Суруша Алиганбари впервые применила «допплеровскую бессмещённую лазерную спектроскопию» на молекулярных ионах водорода (H₂⁺), устранив искажения, ограничивавшие прошлые эксперименты. Им удалось достичь беспрецедентной неопределённости всего 26 частей на триллион при определении отношения массы протона к массе электрона, превзойдя даже масс-спектрометрию в ловушке Пеннинга по точности.
Квантовые технологии преодолевают барьеры измерений
Команда из Дюссельдорфа преодолела эффект Доплера, который расширяет спектральные линии и ограничивает точность измерений, путем захвата молекулярных ионов вместе с атомными ионами, охлаждаемыми лазером. По словам Алиганбари: «Холодные атомы охлаждают молекулы симпатически, значительно замедляя их движение. Тем не менее, этого было недостаточно для полного устранения Доплеровского уширения, поэтому мы выбрали специальную геометрию спектроскопии, которая позволила это сделать».
Ион молекулярного водорода H₂⁺, состоящий из двух протонов и одного электрона, представляет собой самую простую молекулу, существующую в природе. Эта простота позволяет физикам рассчитывать его свойства с исключительной точностью, создавая идеальную платформу для сравнения теоретических предсказаний с экспериментальными измерениями и для выявления любых отклонений, которые могут намекать на физику за пределами Стандартной модели.
В поисках новой физики
Мотивация этого стремления к точности выходит далеко за рамки академического интереса. «Мы ищем 'новую физику', то есть явления, которые широко успешная Стандартная модель физики частиц не может объяснить», — поясняет Шиллер. Команда сравнивает сверхточные теоретические прогнозы для H₂⁺ с экспериментальными измерениями, чтобы выявить малейшие несоответствия, которые могут указать на неизвестные силы или частицы.
Алиганбари отмечает, что любые обнаруженные различия «могут указывать на новую 'пятую силу', которая возможно существует помимо четырех фундаментальных сил, известных нам. Или мы можем проверить существование скрытых дополнительных измерений, которые могут влиять на гравитацию на малых масштабах».
Будущие исследования антиматерии в ЦЕРНе
Этот прорыв служит отправной точкой для проверки фундаментальных симметрий природы, в частности инвариантности CPT (заряд, четность, время). По словам Шиллера, их подход в конечном итоге может позволить проводить высокочувствительные тесты CPT, сравнивая переходы H₂⁺ с его антиматериальным аналогом. Для этого потребуется успешно синтезировать "анти-H₂⁺" в Европейской организации по ядерным исследованиям CERN.
Программа антиматерии AD/ELENA в CERN уже работает над достижением подобных целей, планируя исследовать молекулярные ионы антиводорода, которые смогут проверить инвариантность CPT с дробной разрешающей способностью 10⁻¹⁷. Такие измерения могут дать ключ к вопросу асимметрии между материей и антиматерией, которая объясняет, почему во Вселенной преобладает материя, а не содержится равное количество материи и антиматерии.
Достижение исследователей представляет собой одно из самых точных сравнений между теоретическими прогнозами и экспериментальными измерениями, уступающее по точности лишь в восемь раз самому точному сравнению в физике — g-фактору голого электрона.
https://idw-online.de/en/news857911
Комментариев нет:
Отправить комментарий