Atomet e padukshme të heliumit ofrojnë një test jashtëzakonisht të ndjeshëm të teorisë themelore
Fizikanët në Universitetin Kombëtar Australian kanë zhvilluar metodën më të ndjeshme ndonjëherë për matjen e energjisë potenciale të një atomi (brenda një e qindta e deciliontës së xhaulit – ose 10-35 xhaule) dhe e përdorën atë për të vërtetuar një nga teoritë më të testuara. në fizikë-elektrodinamika kuantike (QED).
Hulumtimi, i botuar këtë javë në Science mbështetet në gjetjen e ngjyrës së dritës lazer ku një atom helium është i padukshëm dhe është një vërtetim i pavarur i metodave të mëparshme të përdorura për të testuar QED, të cilat kanë përfshirë matjen e tranzicionit nga një gjendje e energjisë atomike në tjetrën.
“Kjo padukshmëri është vetëm për një atom specifik dhe një ngjyrë specifike të dritës – kështu që nuk mund të përdoret për të bërë një mantel padukshmërie që Harry Potter do ta përdorte për të hetuar qoshet e errëta në Hogwarts,” tha autori kryesor, Bryce Henson, një Ph. .D. student në Shkollën Kërkimore të Fizikës ANU.
“Por ne ishim në gjendje të përdornim për të hetuar disa qoshe të errëta të teorisë QED.”
“Ne shpresonim të kapnim QED, sepse ka pasur disa mospërputhje të mëparshme midis teorisë dhe eksperimenteve, por ajo kaloi me një notë mjaft të mirë.”
Elektrodinamika Kuantike, ose QED, u zhvillua në fund të viteve 1940 dhe përshkruan se si drita dhe materia ndërveprojnë, duke përfshirë mekanikën kuantike dhe teorinë speciale të relativitetit të Ajnshtajnit në një mënyrë që ka mbetur e suksesshme për gati tetëdhjetë vjet.
Megjithatë, lë të kuptohet se teoria QED kishte nevojë për disa përmirësime erdhën nga mospërputhjet në matjet e madhësisë së protonit, të cilat u zgjidhën kryesisht në vitin 2019.
Rreth kësaj kohe ANU Ph.D. Studiuesi Bryce Henson vuri re lëkundje të vogla në një eksperiment shumë të ndjeshëm që po kryente në një re ultra të ftohtë atomesh të njohur si një kondensatë Bose-Einstein.
Ai mati frekuencën e lëkundjeve me saktësi rekord, duke zbuluar se ndërveprimet midis atomeve dhe dritës së lazerit ndryshuan frekuencën, pasi ngjyra e lazerit ndryshonte.
Ai e kuptoi se ky efekt mund të shfrytëzohej për të përcaktuar me saktësi ngjyrën e saktë në të cilën atomet nuk ndërvepruan fare me lazerin dhe lëkundjet mbetën të pandryshuara – me fjalë të tjera duke u bërë efektivisht i padukshëm.
Me kombinimin e një lazeri me rezolucion jashtëzakonisht të lartë dhe atomeve të ftohur në 80 miliarda të një shkalle mbi zero absolute (80 nanokelvin), ekipi arriti një ndjeshmëri në matjet e tyre të energjisë që ishte 5 rend të madhësisë më pak se energjia e atomeve, rreth 10 –35 xhaul, ose një ndryshim temperaturash prej rreth 10-13 gradë kelvin.
“Kjo është aq e vogël sa nuk mund të mendoj për ndonjë fenomen për ta krahasuar me të – është aq larg fundit të shkallës,” tha zoti Henson.
Me këto matje ekipi ishte në gjendje të nxirrte vlera shumë të sakta për ngjyrën e padukshme të heliumit. Për të krahasuar rezultatet e tyre me parashikimin teorik për QED, ata iu drejtuan profesorit Li-Yan Tang nga Akademia Kineze e Shkencave në Wuhan dhe Profesor Gordon Drake nga Universiteti i Windsor në Kanada.
Llogaritjet e mëparshme duke përdorur QED kishin më pak pasiguri sesa eksperimentet, por me teknikën e re eksperimentale që përmirësonte saktësinë me një faktor prej 20, teoricienët duhej të përballeshin me sfidën dhe të përmirësonin llogaritjet e tyre.
Në këtë kërkim ata ishin më se të suksesshëm—duke përmirësuar pasigurinë e tyre vetëm në një të 40-tën e pasigurisë së fundit eksperimentale dhe duke veçuar kontributin e QED në frekuencën e padukshmërisë së atomit, e cila ishte 30 herë më e madhe se pasiguria e eksperimentit. Vlera teorike ishte vetëm pak më e ulët se vlera eksperimentale me 1.7 herë pasiguria eksperimentale.
Udhëheqësi i bashkëpunimit ndërkombëtar, profesor Ken Baldwin nga Shkolla Kërkimore e Fizikës ANU, tha se përmirësimet në eksperiment mund të ndihmojnë në zgjidhjen e mospërputhjes, por gjithashtu do të nxisin një mjet të jashtëzakonshëm që mund të ndriçojë QED dhe teori të tjera.