Najbardziej precyzyjny z dotychczasowych pomiarów wartości stałej struktury subtelnej zarysowuje nowe granice dla teorii mówiących o istnieniu ciemnej materii czy ciemnej energii. Nowa wartość to nie tylko dodatkowy test Modelu Standardowego, ale i wskazówka, gdzie należy poszukiwać ciemnej materii, która wraz z ciemną energią stanowi ponad 90% masy wszechświata.

Stała struktury subtelnej to kombinacja trzech stałych fundamentalnych, stałej Plancka, ładunku elektronu oraz prędkości światła. Łącznie określają one siłę oddziaływań elektromagnetycznych, przez co stała struktury subtelnej powszechnie występuje we wszechświecie. Jako, że jest to wielkość bezwymiarowa, niezależna od systemu jednostek, jest w pewnym sensie bardziej podstawowa niż inne stałe fizyczne, których wartość zmienia się w zależności od systemu.

Niewielka wartość stałej struktury subtelnej, wynosząca około 1/137 ( ) wskazuje, że oddziaływania elektromagnetyczne są słabe. To zaś oznacza, że elektrony znajdujące się na orbitach w pewnej odległości od jądra atomu mogą tworzyć wiązania i budować molekuły. To właśnie ta ich właściwość umożliwiła powstanie gwiazd czy planet. Wielu fizyków twierdzi, że takiej a nie innej wartości stałej struktury subtelnej zawdzięczamy własne istnienie. Gdyby bowiem była ona nieco większa lub nieco mniejsza, gwiazdy nie mogłyby syntetyzować cięższych pierwiastków, takich jak np. węgiel. Życie w znanej nam postaci by więc nie istniało.

Dotychczasowe pomiary stałej struktury subtelnej umożliwiły prowadzenie precyzyjnych testów zależności pomiędzy cząstkami elementarnymi. Zależności te są opisane równaniami, tworzącymi Model Standardowy. Każda niezgodność pomiędzy przewidywaniami Modelu a obserwacjami może wskazywać na istnienie nieznanych zjawisk fizycznych.

Zwykle stałą struktury subtelnej mierzy się określając siłę odrzutu atomów absorbujących fotony. Energia kinetyczna tego odrzutu pozwala określić masę atomu. Następnie, na podstawie precyzyjnej znajomości stosunku masy atomu do elektronu, obliczamy masę elektronu. W końcu możemy określić stałą struktury subtelnej z masy elektronu oraz siły wiązań atomowych w wodorze.

Naukowcy pracujący pod kierunkiem profesor Saidy Guellati-Khelifa z Laboratoire Kastler-Brossel schłodzili atomy rubidu do temperatury kilku stopni powyżej zera absolutnego. Następnie za pomocą lasera stworzyli superpozycję dwóch stanów atomowych. Pierwszy ze stanów odpowiadał atomom odrzucanym w wyniku zaabsorbowania fotonów, drugi zaś, atomom, które nie doświadczają odrzutu. Atomy w różnych stanach różnie propagowały się wewnątrz komory próżniowej. Naukowcy dodali wówczas drugi zestaw impulsów laserowych, który doprowadził do „ponownego połączenia” obu części superpozycji.

Im większy był odrzut atomu absorbującego fotony, tym większe przesunięcie fazy względem jego własnej wersji, która nie doświadczała odrzutu. Uczeni wykorzystali tę różnicę do określenia masy atomu, z której następnie wyliczyli stałą struktury subtelnej. W ten sposób określili jej wartość na 1/137,035999206(11). Precyzja pomiaru wynosi 81 części na bilion, jest więc 2,5-krotnie większa niż poprzedni najbardziej precyzyjny pomiar wykonany w 2018 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.

Różnica pomiędzy pomiarem obecnym, a tym z Berkeley rozpoczyna się na 7. cyfrze po przecinku. To zaskoczyło francuskich naukowców, gdyż wskazuje, że albo jedne z pomiarów, albo oba, zawierają nieznany błąd. Autor pomiaru z Berkeley, Holger Müller, komentuje, że wynik uzyskany przez Francuzów potwierdza, iż elektron nie posiada mniejszych struktur i rzeczywiście jest cząstką elementarną.

Francuzi planują teraz potwierdzić wyniki swoich pomiarów korzystając z innego izotopu rubidu.

 

 

Źródło: PhysicsWorld
0 0 votes
Article Rating