電子是我們所知的物質(zhì)的最基本的組成部分之一。它們具有一些非常獨(dú)特的特性，比如帶有負(fù)電荷，還存在一種非常確切的內(nèi)稟角動(dòng)量，也就是自旋。

作為一個(gè)具有自旋的帶電粒子，每一個(gè)電子都有磁矩，你可以把它想象成一塊微小的條形磁鐵，或者羅盤上的指針，因?yàn)樗鼈冊(cè)诖艌?chǎng)中能排列一致。一種被稱為量子電動(dòng)力學(xué)（QED）的理論能夠以非凡的精度預(yù)測(cè)磁矩的強(qiáng)度，并由g因子這個(gè)物理量給出。

近日，一組研究人員進(jìn)行了迄今最精確的兩種同位素離子的g因子的比較，其精確度達(dá)到了前所未有的水平。同時(shí)，精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算的比較，也對(duì)QED進(jìn)行了一次創(chuàng)紀(jì)錄的檢驗(yàn)，讓我們?cè)僖淮螌?duì)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型有了更深刻的認(rèn)識(shí)。論文已于近日發(fā)表在《自然》上。

  極精確的實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算  

1928年，物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Dirac）將狹義相對(duì)論的思想納入量子力學(xué)，并提出了一個(gè)電子的相對(duì)論性方程。它告訴我們，g因子等于2，這個(gè)結(jié)果與當(dāng)時(shí)的觀測(cè)結(jié)果一致。

20年后，朱利安·施溫格（Julian Schwinger）在一次著名的計(jì)算中把這個(gè)數(shù)字修改為約2.0023，這預(yù)示著QED的出現(xiàn)，這個(gè)理論用光子的交換來(lái)描述電子和原子核之間的相互作用。

自那時(shí)起，（與其他物質(zhì)隔離的）自由電子的g因子已經(jīng)被預(yù)測(cè)并測(cè)量精確到了12位，這也是物理學(xué)中理論與實(shí)驗(yàn)最精確的匹配之一。

然而，一旦電子不再是“自由”，換言之，它開(kāi)始受到其他因素影響，比如與原子核結(jié)合后，原子核的存在就會(huì)微妙地改變電子的磁矩。g因子的這種微小變化可以通過(guò)QED進(jìn)行計(jì)算。

在新研究中，團(tuán)隊(duì)成功地以前所未有的分辨率進(jìn)行了這些QED預(yù)測(cè)?？茖W(xué)家挑選了兩種只擁有一個(gè)電子的高電荷氖離子的同位素，分別是2?Ne??和22Ne??，并比較了它們的g因子之間的差異。這兩種同位素與氫有相似之處，但核電荷量高出了10倍，因此增強(qiáng)了QED效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)采用了一個(gè)專門設(shè)計(jì)的彭寧阱，將單個(gè)離子儲(chǔ)存在一個(gè)幾乎完全真空的4特斯拉的強(qiáng)磁場(chǎng)中。測(cè)量是為了確定在磁場(chǎng)中翻轉(zhuǎn)“羅盤指針”（自旋）的方向所需的能量。研究人員同時(shí)利用彭寧阱中離子的運(yùn)動(dòng)確定了磁場(chǎng)的確切值，進(jìn)而找到所需的微波激發(fā)的確切頻率。

離子阱中高電荷的氖離子對(duì)的耦合圓形運(yùn)動(dòng)示意圖。粉色波浪代表微波輻射。（圖／MPI-HD）

盡管實(shí)驗(yàn)中使用的超導(dǎo)磁鐵具有非常好的時(shí)間穩(wěn)定性，但不可避免的磁場(chǎng)微小波動(dòng)將先前的所有測(cè)量限制在了約11位數(shù)字的精度上。

想要獲得更高的精度，就不得不另辟蹊徑。兩個(gè)待比較的離子（2?Ne??和22Ne??）被同時(shí)儲(chǔ)存在同一磁場(chǎng)中，進(jìn)行耦合運(yùn)動(dòng)。在這樣的運(yùn)動(dòng)中，兩個(gè)離子總是在一個(gè)半徑只有200微米的共同圓形路徑上彼此相對(duì)旋轉(zhuǎn)。換句話說(shuō)，磁場(chǎng)的漲落對(duì)兩種同位素的影響實(shí)際上是相同的，因此對(duì)尋找的能量差異不會(huì)帶來(lái)影響。

結(jié)合測(cè)量的磁場(chǎng)，研究人員能夠確定兩種同位素的g因子的差異，其精確度達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的13位數(shù)字，與以前的測(cè)量相比，精確度提高了100倍，因此成為全世界最精確的兩種g因子的比較。

可以這么類比，如果研究人員以如此精確的方式測(cè)量2962米高的德國(guó)最高峰祖格峰（Zugspitze），而不是g因子，那么他們甚至可以察覺(jué)一個(gè)原子的差異。

理論計(jì)算同樣是以類似的精度進(jìn)行的。與新的實(shí)驗(yàn)值相比，團(tuán)隊(duì)確認(rèn)電子確實(shí)通過(guò)光子的交換與原子核發(fā)生相互作用，正如QED所預(yù)測(cè)的那般。測(cè)量?jī)煞N氖同位素離子的差異，首次對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行了更精確檢驗(yàn)。

  新的約束  

未來(lái)，新研究中提出的方法可以讓科學(xué)家進(jìn)行更多新穎而令人興奮的實(shí)驗(yàn)，比如直接比較物質(zhì)和反物質(zhì)，或者以超高的精度確定基本常數(shù)。

令人興奮的是，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致，讓我們?cè)僖淮未_認(rèn)了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。但反過(guò)來(lái)說(shuō)，這種一致性也為超越已知標(biāo)準(zhǔn)模型的“新物理”帶去了更多約束，比如離子與暗物質(zhì)相互作用的強(qiáng)度。顯然，還有更多的研究等待著物理學(xué)家去發(fā)掘。