重离子的精确测量实验与理论相互矛盾

  XZKL1234 ·  2019-06-03 13:46  ·  9268 次点击
由德国达姆施塔特工业大学(TUDarmstadt)牵头、德国联邦物理技术研究院(PTB)的科学家参与的研究小组首次成功测量了类锂铋离子的能级间跃迁,其精准程度足以使其对相关基础理论进行重新审视。这项研究带来的结论着实令人震惊,而且,科学家们已将这一结论发表在《自然通讯》(NatureCommunications)上:“我们在此之前对电子与原子核之间相互作用的理解可能是错误的。”
铋原子核的表面存在磁场,而这种磁场除此以外仅存在于大质量中子星的表面。在达姆施塔特工业大学的领导下,一组研究人员对这类磁场中的电子行为进行了研究。直到最近他们才取得了突破,首次观察到这种类锂元素离子中的特殊跃迁。他们现已成功地在达姆施塔特的GSI亥姆霍兹重离子研究中心测量了这种跃迁,其精确度足以使其首次对基础理论进行令人信服的重新审视。该研究成果已发表在《自然通讯》(NatureCommunications)上,科学家们公布了其惊人的结论:理论与实验之间的差异令人震惊。这表明我们在理解电子如何与原子核复杂的内部结构相互作用时出现了错误。
要想验证目前对基础物理作用力的这种成败难料的理解,我们需要理想的验证系统,即由单个原子核和一个或几个电子组成的简单原子。比起对原子核实际结构情况的掌握,我们更加了解的其实是基于量子电动力学(QED)的原子电子壳层的理论知识。基于QED,我们可以非常准确地计算出电子的性质和原子存在的状态,然后通过精确测量检验这些计算结果。到目前为止,QED已经出色地通过了所有这些测试。但是,当使用重原子核时,科学家们主要关注的是巨大的电磁场对束缚于壳层中的电子的影响。对这一理论在这些极端条件下的实验验证寥寥无几,而且,到目前为止,这类实验的准确度都还没有达到与用轻核进行实验的相同水平。强大的电磁场使理论计算变得困难重重。此外,尽管原子核对原子壳层有着很强的影响,但我们对原子核复杂的内部结构了解得还不够精确。为了绕开这个困难,理论家们计算出具有不同电子数但相同原子核的系统之间的某些差异。而这些所谓的“特定差异”具有这样的性质,即原子核结构所产生的作用应该正好能抵消它们自身,并且研究人员可以以这些特定差异为出发点来更精确地检验QED的计算值。然而,现在公布的这些研究结果似乎对特定差异的概念产生了质疑。
实验中,研究小组首先生产出氢类铋离子和锂类铋离子。将这些离子注入实验储存环(ESR),其周长为108米,并配有两个可进行实验的直线段。在其中一个直线段上,将一定能量的电子束与离子束叠加。几秒钟后,离子的速度就会调整至电子的速度。另外,在这一直线段上,将一脉冲激光束与离子束叠加。然后,以微小的增量修改激光的波长。当激光正好达到待研究离子跃迁的波长时,离子就会从激光束中吸收光粒子(光子),也就是能量。很快,以上述方式被激发的离子就会释放这种能量,也就是释放出极少量的光子。由德国明斯特大学(theUniversityofMünster)研发的一种特殊反射镜及单光子探测系统可有效地探测到这一小部分光子。由于速度飞快,激光的波长会因为激光的反向传播或同向传播而被压缩或拉伸大约2.4倍。该倍数取决于电子的加速电压。为了以大约1伏的准确度来测量这个约214,000伏特的高压,用到了一种高压分压器,这是由位于布伦瑞克(Braunschweig)的PTB所研发的。达姆施塔特工业大学(TUDarmstadt)的科学家们负责数据采集、激光脉冲的时间同步等事项,激光脉冲和存储环内离子的旋转仅持续几十亿分之一秒(几纳秒)。他们还对数据进行分析。
即使考虑了所有已知的系统误差来源,氢类铋和锂类铋中测得的跃迁波长的特定差异也与理论预测不一致。造成这种偏差的原因尚不清楚,需要进一步对其他铋同位素进行测量来展开研究。然而,这些同位素具有放射性,因此必须在注入储存环之前生产出。GSI亥姆霍兹重离子研究中心可以做到这一点。达姆施塔特即将开始建设一套新的加速器设施(反质子与离子研究装置,FAIR),这将为进一步研究这一课题提供新的可能性。
此项研究成果已发表在《自然通讯》上,该研究项目是在达姆施塔特工业大学核物理研究所(theInstitutfürKernphysik(InstituteofNuclearPhysics)oftheTechnischeUniversitätDarmstadt)的带领下完成的,项目合作方还包括明斯特威斯特法伦威廉大学(WestfälischeWilhelms-UniversitätMünster)、布伦瑞克德国联邦物理技术研究院(PTBBraunschweig)、美因兹大学(JohannesGutenbergUniversityMainz)、达姆施塔特GSI亥姆霍兹重离子研究中心(GSIHelmholtzCenterforDarmstadtforHeavyIonResearch)、耶拿亥姆霍兹研究所(HelmholtzInstituteJena)以及其他相关机构。

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