Квантование электрического заряда измерили линейкой
Физики провели эксперимент, который невооруженным глазом позволяет убедиться в дискретности элементарного электрического заряда. Для этого они модифицировали классический опыт Милликена, заставив левитировать каплю силиконового масла в оптической ловушке с очень низкой жесткостью в постоянном электрическом поле. При этом изображение капли на стене, увеличенное линзой, менялось строго дискретными шагами. Исследование опубликовано в Scientific Reports.
Более ста лет назад Роберт Эндрюс Милликен провел свой знаменитый опыт, который позволил весьма достоверно доказать, что электрический заряд всегда кратен некоему малому значению, и даже довольно точно его вычислить. Эксперимент заключался в измерении скоростей пролета заряженных капелек масла между пластинами конденсатора. Скорость при этом оказывается пропорциональна числу электронов, пойманных каплей.
И хотя классический милликеновский опыт наблюдался непосредственно глазом в окуляр, дискретный характер скорости капли и, как следствие, электрического заряда был не очевиден для наблюдателя. Для развития физики этот факт, конечно, не имеет существенного значения, но необходимость пост-обработки результатов снижает демонстрационный потенциал опыта. В наши дни современная версия опыта Милликена проводится путем помещения капель в оптические или электростатические ловушки, однако до недавнего времени ни один из экспериментов не позволял убедиться в дискретности электрического заряда невооруженным глазом.
Исправить этот недостаток смогла группа физиков из Швеции и Мексики под руководством Дага Хансторпа (Dag Hanstorp) из Гётеборгского университета. Они смогли добиться этого, поместив капли силиконового масла в оптическую ловушку малой жесткости, что обеспечило высокую чувствительность пространственного положения капли в зависимости от ее заряда. Чтобы сделать эту зависимость видимой без дополнительных приспособлений со стороны наблюдателя, изображение капли увеличивалось с помощью линзы на экране.
Ученые создавали оптическую ловушку, фокусируя излучение лазера с длиной волны 532 нанометра с помощью длиннофокусной линзы в пространство между пластинами конденсатора. Про каплю, пойманную в такой оптический пинцет, говорят, что она левитирует, потому что сила, возвращающая ее в центр ловушки, уравновешивает все остальные силы, в том числе силу тяжести. Эту силу можно описывать моделью пружины с некоторой жесткостью, причем жесткость тем больше, чем сильнее градиент электромагнитного поля или, если говорить в терминах оптики, чем больше числовая апертура фокусировки. Физики так подобрали параметры системы, чтобы жесткость их ловушки была мала и составила 5,00±0,49 наноньютон на метр.
Авторы подавали на пластины, расстояние между которыми было равно одному миллиметру, разность потенциалов, равную 666 вольтам. Несмотря на наличие отверстий для лазерного пучка, радиусами в один миллиметр, численные симуляции показали, что в промежутке между пластинами должно создаваться достаточно однородное поле, напряженностью 360±45 киловольт на метр. Вкупе с малой жесткостью оптической ловушки этой напряженности оказалось достаточно, чтобы положение капли смещалось на десять микрон при добавлении в нее единичного электрона. Чтобы сделать видимым такое смещение, физики установили рядом с пластинами собирающую асферическую линзу, которая фокусировала свет лазера, рассеянный верхней и нижней частью капли, на стену лаборатории с увеличением в 73 раза.
Чтобы индуцировать в камере свободные электроны, авторы, как и в классическом опыте, использовали ионизирующее излучение. В частности, физики использовали изотоп 241Am в качестве источника альфа-частиц, которые выбивали электроны из капель, электродов и воздуха. Некоторые из выбитых электронов садились на капли, что и фиксировалось в эксперименте.
Количество захваченных электронов варьировалось случайным образом от одного до нескольких штук. Это выражалось в скачках положения изображения капли на экране, пропорциональных приобретенному заряду. Откалибровав нужным образом экран с помощью горизонтальных меток, физики могли невооруженным глазом увидеть число захваченных электронов. Многоступенчатый процесс поглощения заряда был снят ими на видео.
Измеренная зависимость положения капли от времени имела ступенчатый характер, где каждый шаг был равен либо кратен некоторому минимальному значению. Физики аппроксимировали эту зависимость с помощью ровных ступенчатых функций и исследовали разность двух графиков. Гистограмма разности демонстрировала нормальное распределение в окрестности нуля с полушириной, не превышающей половину деления.
С помощью несложных вычислений физики также оценили величину элементарного заряда, которая в их опыте оказалась равной 1,44±0,25×10−19 кулон, что с учетом ошибки согласуется с известным на сегодня значением, равным 1,602×10−19 кулон. Такая большая ошибка по мнению авторов исходит из неопределенностей электрического поля и жесткости ловушки.
Конечно, проведенный эксперимент несет скорее демонстрационную ценность, нежели ценность измерительную, в силу его малой точности. Для сверхточного измерения электрических зарядов физики используют другие экспериментальные техники. Мы уже писали ранее, как физики ограничили максимальный заряд нейтрона очень малым значением.
Марат Хамадеев
Он расходится с последними теоретическими предсказаниями со статистической значимостью в 5σ
Физики представили новые результаты эксперимента Muon g-2 в Фермилабе по измерению аномального магнитного момента мюона. Согласно анализу данных двух новых сеансов измерений, физикам удалось больше чем в два раза уменьшить неопределенность измеренного значения. С учетом всех собранных Muon g-2 экспериментальных данных, новый результат противоречит последним предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5,0σ. Согласно авторам статьи, препринт которой доступен на сайте эксперимента, статистическая значимость расхождения, вероятно, ослабнет, если включить в расчет предсказаний недавно опубликованные теоретические и экспериментальные результаты других коллабораций. Также о результатах эксперимента рассказывается на сайте ИЯФ имени Будкера, а запись научного семинара с докладом о последних результатах Muon g-2 доступна на YouTube.Значение магнитного момента мюона — одна из немногих напрямую измеряемых аномалий в современной физике, которая может указывать на существования физики за пределами Стандартной модели. Дело в том, что в это значение вносит вклад взаимодействие этого тяжелого лептона с существующими в нашей модели Вселенной виртуальными частицами. За счет большой массы мюона такой вклад различим на фоне хорошо предсказываемых электромагнитных поправок. Он же позволяет судить о существовании потенциально неоткрытых полей и частиц: расхождения измеренного значения магнитного момента и теоретических расчетов может указывать на неполноту теории. Однако сложность таких измерений в том, что относительная разница измеренного экспериментом и предсказанного теорией значений может проявляться только в шестом знаке после запятой. Для достижения такой точности измерений необходим большой массив экспериментальных данных, а также уверенность в том, что из их анализа были исключены любые систематические вклады и неопределенности в теории. Кроме того, сами предсказания Стандартной модели обладают погрешностью и зависят от параметров существующих в ней частиц и процессов. Два года назад мы уже рассказывали о природе аномального магнитного момента мюона и о том, как эксперимент Muon g-2 впервые увидел расхождение теории и эксперимента. Тогда в совокупности с данными двадцатилетней давности эксперимента-предшественника E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории статистическая значимость расхождения составила 4,2 стандартных отклонения (или 4,2σ), чего лишь немного не хватило до общепринятого порога официального открытия в 5σ. Вчера участники коллаборации Muon g-2, в том числе физики из институтов Великобритании, Германии, Италии, Китая, России и США, представили результаты анализа данных двух новых сеансов измерений, которые состоялись в 2019 и 2020 годах. Полученное значение аномального магнитного момента совпало в пределах погрешности с результатами за первый сеанс измерений и эксперимента E821, а относительную точность измерения удалось уменьшить больше чем в два раза: с 0,46 до 0,20 миллионных долей. Как и в первом сеансе набора данных, магнитный момент мюона физики измеряли через разность циклотронной частоты и частоты спиновой прецессии поляризованных антимюонов (частица с противоположным по знаку мюону зарядом, но теми же свойствами) в накопительном кольце в сильном магнитном поле. Эта разность частот пропорциональна абсолютной величине аномального магнитного момента мюона и магнитному полю. Поэтому непрерывно измеряя магнитные поля внутри кольца с помощью ЯМР-проб, физики могли получить искомое значение магнитного момента. При этом сам антимюон в накопительном кольце достаточно быстро распадался на два нейтрино и позитрон, который за счет меньшей массы отклонялся в сторону внутреннего радиуса накопительного кольца, покрытого калориметрами. Искомую разность частот измеряли по колебаниям в количестве электронов, зарегистрированных с помощью этих детекторов. Столь сильно уменьшить погрешность измерений физикам удалось не только за счет увеличения количества набранных данных в 5 раз, но и благодаря оптимизации установки и процесса анализа данных. К примеру, ученые обернули кольцо в теплоизолирующий кожух и улучшили систему кондиционирования экспериментального холла, чтобы уменьшить колебания температуры, которые влияли на магнитное поле внутри установки. Большой вклад также внесли улучшение хранения пучка в кольце и оптимизация квадрупольных и дипольных магнитов в установке с обновленной техникой измерения их влияния на динамику пучка. В результате систематическая погрешность измерений составила всего 0,07 миллионных долей, что уже меньше цели эксперимента в 0,1 миллионных долей. К 2025 году физики собираются достигнуть цель и по статистической погрешности за счет обработки данных еще 3 сеансов набора данных, проведенных в 2021-2023 годах. Формально, с учетом всех собранных данных, измеренное экспериментом Muon g-2 значение аномального магнитного момента мюона уже сейчас противоречит предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5σ, а с учетом данных эксперимента E821 — в 5,1σ. Однако участники коллаборации предостерегают от поспешных выводов: это сравнения с устаревшим расчетом теоретической группы эксперимента, опубликованным в 2020 году. По мнению ученых, недавно опубликованные данные эксперимента КМД-3 в Институте ядерной физики имени Будкера и теоретические расчеты коллаборации BMW должны повлиять на теоретические предсказания и потенциально сблизить их с экспериментально полученным значением. Еще одно прямое указание на Новую физику — переносчик слабого взаимодействия W-бозон. Год назад мы рассказывали о том, что измеренное коллаборацией CDF значение массы этой частицы разошлось с предсказаниями Стандартной модели на 7 стандартных отклонений.