Парижская команда исследователей провела наиболее точное на сегодня измерение постоянной тонкой структуры, отобрав у нас надежду на существование в природе неизвестного взаимодействия
Постоянную тонкой структуры ввели в 1916 году для количественной оценки промежутков между двумя линиями в спектре цветов, испускаемых определёнными атомами. На фото плотно расположенные частоты видны через резонатор Фабри — Перо
Среди фундаментальных констант наибольшей известностью пользуется скорость света с. Однако её числовое значение ничего не говорит нам о природе – оно зависит от единиц измерения, будь то метры в секунду или мили в час. А у постоянной тонкой структуры, наоборот, размерности нет. Это чистое число, потрясающе сильно влияющее на Вселенную. Ричард Фейнман писал, что это «волшебное число, найденное нами без какого-либо понимания». Поль Дирак считал происхождение этого числа «наиболее фундаментальной из нерешённых задач физики».
По величине постоянная тонкой структуры, обозначаемая греческой буквой α, очень близка к дроби 1/137. Она часто встречается в уравнениях, описывающих поведение света и материи. «В архитектуре, например, часто встречается золотое сечение», — сказал Эрик Корнелл, физик из Колорадского университета и Национального института стандартов и технологий, нобелевский лауреат. «А в физике материи низких энергий – атомов, молекул, химии, биологии – постоянно встречается соотношение размеров большего к меньшему. И эти соотношения часто оказываются степенями постоянной тонкой структуры».
Постоянная повсеместна, поскольку она описывает силу электромагнитного взаимодействия, действующего на заряженные частицы – электроны и протоны. «В повседневном мире мы сталкиваемся либо с гравитацией, либо с электромагнетизмом. Поэтому альфа так важна», — сказал Холгер Мюллер, физик из Калифорнийского университета в Беркли. 1/137 – это немного, и влияние электромагнетизма слабое. В результате заряженные частицы формируют преимущественно пустые атомы, в которых электроны движутся по удалённым орбитам и легко с них срываются. Это приводит к формированию химических связей. С другой стороны, постоянная достаточно велика – если бы она была ближе к 1/138, в звёздах не создавался бы углерод, и знакомая нам жизнь не смогла бы появиться.
Физики почти сто лет были одержимы желанием выяснить, почему значение альфы оказалось именно таким. Но сегодня они практически охладели к этому вопросу, и признают, что значение фундаментальных постоянных может быть случайным, определяясь броском космических игральных костей при рождении Вселенной. Теперь у них появилась новая цель.
Физики хотят как можно более точно измерить значение постоянной тонкой структуры. Поскольку она встречается везде, её точное значение позволяет им проверить свою теорию взаимосвязи элементарных частиц. А именно, великолепный набор уравнений, известный под названием Стандартной модели физики частиц. Любые расхождения в точно измеренных значениях, связанных друг с другом, могли бы указывать на существование новых частиц или неучтённых стандартными уравнениями эффектов. Корнелл называет такие точные измерения третьим способом экспериментального раскрытия фундаментальных принципов работы Вселенной – после ускорителей частиц и телескопов.
В декабре 2020 команда из четырёх физиков под руководством Саиды Гелати-Халифы из парижской лаборатории Кастлер-Броссел опубликовала в журнале Nature новую работу с самым точным на сегодняшний день измерением величины постоянной тонкой структуры. Команда получила значение постоянной вплоть до 11 знака: α = 1/137,035999206.
С погрешностью всего в 81 триллионную новое значение стало в три раза более точным, чем предыдущее, проведённое в 2018 году главным конкурентом команды — группой Мюллера в Беркли. До Мюллера Гелати-Халифа получала самое точное на тот момент значение в 2011. О новом значении, полученном их соперниками, Мюллер сказал: «В три раза – это серьёзно. Можно без особого стеснения назвать это отличным достижением».
Саида Гелати-Халифа в своей парижской лаборатории
Гелати-Халифа улучшает свой эксперимент уже 22 года. Она измеряет постоянную тонкой структуры путём измерения величины отклонения атомов рубидия при поглощении ими фотона. Мюллер делает то же самое с атомами цезия. Скорость отклонения характеризует массу атомов рубидия – в простой формуле постоянной тонкой структуры это самый сложный для измерения член. «Узким местом всегда служит наименее точно измеренная величина, поэтому любое улучшение в этой области ведёт к уточнению постоянной тонкой структуры», — пояснил Мюллер.
Начали парижские экспериментаторы с того, что охладили атомы рубидия почти до абсолютного нуля, а потом бросили их в вакуумную камеру. Пока облако атомов опускалось, исследователи при помощи лазерных импульсов приводили их в квантовую суперпозицию из двух состояний – столкнувшихся с фотоном, и не столкнувшихся. Две вероятные версии каждого атома перемещались по отдельным траекториям, пока новые импульсы лазера не свели обратно половинки суперпозиции. Чем больше атом отклонялся при столкновении с фотоном, тем сильнее он отличался по фазе от другой своей версии, с фотоном не столкнувшейся. Исследователи измеряли эту разницу, высчитывая скорость отклонения. «Из скорости отклонения мы получаем массу атома, а масса атома напрямую определяет постоянную тонкой структуры », — сказала Гелати-Халифа.
В таких точных экспериментах имеет значение каждая мелочь. В первой таблице новой работы приведён «бюджет ошибок» – 16 источников возможных погрешностей и неточностей, влияющих на итоговый результат. Сюда входят гравитация и сила Кориолиса из-за вращения Земли – оба эти значения были тщательно подсчитаны и учтены при измерениях. Наибольший вклад в бюджет ошибок вносят недостатки лазера, который учёные постоянно улучшают уже много лет.
Тяжелее всего Гелати-Халифе понять, в какой момент нужно остановиться и опубликовать результаты. Они с командой остановились 17 февраля 2020 года – когда коронавирус набирал обороты во Франции. На вопрос, похоже ли принятие решения учёным о том, когда нужно публиковать работу, на мысли художника о том, когда считать картину законченной. Гелати-Халифа ответила: «Именно, именно, именно».
Неожиданностью стало то, что результат её измерений отличается от результата Мюллера от 2018 года в десятой позиции после запятой – это отличие больше, чем погрешность обоих измерений. Это значит, что, за исключением фундаментальных различий рубидия и цезия, в одном или обоих измерениях может содержаться неучтённая ошибка. Измерение парижской группы более точное, поэтому пока что у него есть преимущество, однако обе команды улучшат свои экспериментальные установки, и попробуют снова.
Хотя два этих измерения и отличаются, они близки к значению альфы, полученному из точных измерений g-фактора электрона – постоянной, связанной с его магнитным моментом, по сути, крутящим моментом, который он испытывает в магнитном поле. «Постоянную тонкой структуры можно связать с g-фактором посредством огромного набора формул, — сказал Корнелл. — И если бы в уравнениях Стандартной модели не хватало бы каких-нибудь физических эффектов, мы бы получали неправильные ответы».
Но на самом деле все измерения прекрасно совпадают, что по большей части отметает некоторые предположения о существовании новых частиц. Совпадение наилучших измерений g-фактора и измерения, проведённого Мюллером в 2018 году, приветствовали как величайший триумф Стандартной модели. Новый результат Гелати-Халифы ещё лучше соответствует ожидаемому. «Это самое лучшее совпадение теории с экспериментом», — сказала она.
И всё же они с Мюллером настроены на дальнейшие улучшения экспериментов. Команда из Беркли переключилась на новый лазер с более широким лучом (благодаря которому получится равномернее обстреливать облако атомов цезия). Парижская команда планирует заменить вакуумную камеру, и провести иные усовершенствования.
Каким человеком надо быть, чтобы тратить так много сил на такой скромный результат? Гелати-Халифа назвала три свойства: «Нужно быть скрупулёзным, пылким и честным с самим собой». Мюллер сказал: «Думаю, что всё это очень интересно. Лично я обожаю строить новенькие блестящие механизмы. И применять их к каким-то важным вещам». Он отметил, что никто не может в одиночку построить коллайдер высоких энергий типа европейского Большого адронного коллайдера. Однако при сборке сверхточного инструмента «можно проводить измерения, важные для фундаментальной физики, работая всего втроём-вчетвером».
