电子的高精度测量更精确为13倍

电子质量的科学家测量比以前已知的更精确的13倍

绝对轻量级的规模:物理学家使用这种捏阱来通过强迫它与碳12个核相结合来确定电子的质量,以遵循螺旋轨迹。碳离子的转速是用于计算的输入,最终为电子质量提供极其精确的值。信用:核物理学的Sven Sturm / MPI

来自Max Planck Institute的物理学家已经实现了电子的高精度测量电子,比以前已知的更精确的13倍。

电子是我们世界的量子胶水。没有电子就没有化学,光线无法与物质互动。yabovip2021如果电子比他们略有重大或更轻,那么世界将视图完全不同。但是,粒子如何如此微小的粒子被认为是实际称重的点状?该壮举现已在一个合作项目中实现,涉及来自海德堡最大普朗克核物理研究所的物理学家的物理学家,他将比以前已知的更精确地称重13倍的电子13倍。由于电子质量涉及基本物理常数,对基本物理学具有重要意义。

“通常情况下,你需要进行10年或20年的精密物理研究,才能将一个基本值提高一个数量级,”海德堡马克斯·普朗克核物理研究所主任Klaus Blaum说,他欣喜地报告了这一最新结果在科学会议上产生的“巨大反响”。在短短几年时间里,海德堡大学团队领导的合作研究已经成功地将电子质量的数值精确地确定为13倍。项目负责人Sven Sturm用如下图片解释了用于实现这一结果的“天平”的极高灵敏度:“如果我们将其应用于一架空客a -380,我们将能够通过称重来检测一只偷渡者蚊子。”

物理学家现在知道电子的质量为11小数点是重要的,因为电子几乎普遍存在。只是阅读本文意味着电子必须将光线转换为眼睛的神经冲动。根据目前的知识,这些小型颗粒没有空间程度,因此具有巨大的动力。他们的群众与其他事物的群众联系起来的基本物理常数的价值。一个例子是“细结构常数”,其确定原子和分子的形状和性质。“它基本上描述了我们所看到的一切”,Blaum说:“因为它在光线和物质之间的相互作用中起着核心作用。”如果大自然给出了电子略微不同的质量,原子看起来完全不同。这样的世界可能会很奇怪。

电子质量与碳核一起测量

电子的质量也是所谓的物理标准模型中的中心变量,其描述了四种目前已知的物理基本力中的三种。虽然模型令人印象深,但现在明确表示有效期。然而,在标准模型的极限所在的情况下,是一个开放的问题。因此,对电子的质量的精确知识可以在寻找先前未知的物理相互关系方面具有重要帮助。

由Klaus Blaum和Sven Sturm领导的物理学家团队开发了一个巧妙的实验,以确定电子极其小的质量。原则上称重需要参考比较。“如果你早上上升,那么它是一个春天的旧机械模型”,解释了Blaum。光束尺度具有配重作为参考。在电子的情况下,物理学家面临着所有基本颗粒的问题,这些基本颗粒可以有意义地用作参考重量。“质子或中子,例如,较重的两千倍”,解释为Blaum,“这将是试图称为大象作为配重的兔子。”因此,为了他们的实验,物理学家利用了狡猾的策略。虽然它们在一起带来了两个巨大的群众,但它们甚至没有尝试直接在原子大象的帮助下衡量电子兔子。

Sven Sturm,Blaum的Mainz大学的博士生,设置了实验。他说:“主要挑战是发展测量方法”。作为一个后医生,他继续前进,进行精确测量电子质量。物理学家将单一电子与粗碳(c)12同位素的裸核配对。选择这种碳同位素,以仔细考虑,因为它是原子质量单位的基础。C 12的质量是根据定义完全已知并使用它作为参考,不包括误差的主要来源。“控制系统误差是绝对重要的”,强调Sturm。

潘宁陷阱使碳离子绕着电路奔跑

高精度测量电子的原子质量

一个电子如何称重?在潘宁陷阱(左图)中,一个磁场(黑色箭头)迫使带有一个电子的碳12原子核沿螺旋方向运动(右图)。以一种简化的方式来看,这个电路可以被认为是一个圆形路径(绿色)。含一个电子的碳12原子核的精确质量可以根据旋转频率来确定。然后利用量子力学,将碳原子的质量与其电荷5与电子自旋进动(右图黑线)联系起来,得到电子的质量。信用:核物理学的Sven Sturm / MPI

物理学家们发射了五个碳原子原子六个电子以便用单个电子制备C12核。剩余的碳离子具有五个 - 碳核的电荷,其中具有单个电子 - 以高度简化的方式围绕电路设定赛车,可以被认为是圆形的。具有其极其均匀的磁场的所谓的捏合陷阱迫使碳离子遵循这种圆形路径。

“目标进行精密测量时,总是使被测变量精确可数”,Blaum说,他背后的思维方法解释道:“在一级方程式赛车比赛中,电路,观众可以多少次赛车射过去,如果他们知道电路的长度,可以估算出汽车的速度。”潘宁陷阱的情况也类似;然而,在这种情况下,物理学家能够测量完整电路的最小部分。

量子力学对第二步有帮助,这是确定电子质量所必需的。电子有所谓的“自旋”,这使它们像微小的磁铁。在潘宁陷阱的强磁场中,这种自旋像微型陀螺仪一样进动或摆动。尽管这种进动速度非常快,但物理学家们有一个精确测量它的策略。关键是陷阱中碳离子的旋转频率和电子进动的摆动频率是一个精确的比例。就像齿轮机制一样,量子力学将碳离子的质量与电子的质量紧密联系在一起,而电子的质量是可以测量的。

只有一个理论贡献,使得能够测量电子质量

然而,在称为G因子或旋转磁因子的机制中,有一个相当难的“齿轮”。“这是我们在研究所与Christoph Keitel的理论集团密切合作的地方起到了重要作用”,Blaum解释道。在以往的基础上由同一协作的结果,由集团领导ZoltánHarman领导的研究所的理论家能够比过去更精确地计算G因子,从而能够精确地确定电子质​​量。

这种高精度实验受益于能够贡献不同专业知识的科学家的合作方法。来自达姆施塔特的GSI HelmholtzzentrumFürSchwerionenforschung的物理学家达姆施塔特和约翰内斯古腾堡大学Mainz取得了重大贡献。结果是一种奇妙的精确数字,揭示了电子的质量1 / 1836.1526737的质子。在千克中陈述,电子质量在十进制点之后的难以想象的10-30千克或三十零。虽然电子真的是轻量级,但它在自然界中起着重量级作用。

出版物:S. Sturm等,“电子的高精度测量电子的原子质量”,自然506,467-470(2014年2月27日);doi: 10.1038 / nature13026

图片:Sven Sturm / MPI核物理

1条评论在“电子的高精度测量更精确的13倍”

  1. 这就跟你问声好!我们还可以使用511kev /c²作为有效的等效能量值吗?哈!哈!

    我知识的电子有一个严格,固定的质量值。因此,为了测量它是有意义的,但是,质子质量随温度而变化。我同意不是很多。本文中未提及温度,我想知道它是什么。

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