Точность измерения одного из основных свойств элементарной частицы повысили в 2,2 раза. Физики из Северо-Западного университета в Иллинойсе определили значение магнитного момента электрона с рекордной точностью. Измерение с погрешностью в 0,13 триллионных долей сокращает неопределенность в 2,2 раза по сравнению с предыдущим рекордом, достигнутым в 2008 году. Высокая точность измерения поможет расширить стандартную модель физики элементарных частиц.

Исследователи разработали установку, в которой один электрон удерживается в ловушке Пеннинга в постоянном магнитном поле силой 5 Тл. Элементарную частицу охладили до температуры, при которой циклотронное движение электрона внутри устройства квантуется.

Для измерения магнитного момента, частоты вращения электрона и циклотронной частоты физики наблюдали за «квантовыми скачками» электрона между низшими энергетическими уровнями. При этом они использовали небольшой градиент магнитного поля, чтобы проводить квантовые неразрушающие наблюдения — не изменять неопределенность квантовой системы в процессе эксперимента.

Схема экспериментальной установки — системы охлаждения (а) и электрода ловушки Пеннинга (b), а также принцип измерения (с). Изображение: X. Fan et al., Physical Review Letters

Рекордной точности исследователям удалось добиться благодаря свойствам установки. Предложенная система охлаждения и захвата электронов повышает стабильность и однородность магнитного поля. Кроме того, ученые использовали усовершенствованную конструкцию улавливающего резонатора, с помощью которой можно точно контролировать осевое движение электрона и сильно подавляет спонтанные эмиссионные переходы между квантовыми уровнями элементарной частицы.

Физики отмечают, что стандартная модель физики требует уточнений и дополнений. Точные измерения элементарных частиц и сравнение полученных результатов с теоретическими расчетами помогут найти недостающие компоненты этой модели.