澎湃新聞記者 王蕙蓉
近日，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院與澳大利亞、加拿大科學家，合作實現了“隱形”原子幻零波長精密計算，開辟量子電動力學理論檢驗的新方法。
量子電動力學(QED)是描述粒子間電磁相互作用的基本物理理論，是支撐現代物理學發展的基石。對QED理論的嚴格檢驗，有助于確定基本物理常數、探究原子核相關性質、以及探索超越標準模型以外的新物理。因此，自QED理論提出近80年以來，人們對QED理論的檢驗從未間斷。迄今QED理論檢驗的方法有電子反常磁矩的精確確定，但較少有電子原子分子精密譜的研究。
此次，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院的原子分子外場理論組研究員唐麗艷、副研究員張永慧等與澳大利亞國立大學、加拿大溫莎大學合作，實現了氦原子413nm（納米）幻零波長的精確計算和精密測量，開辟了“隱形”原子幻零波長精密測量檢驗QED理論的新途徑。相關研究成果發表在《科學》(Science)期刊。
圖片來自《科學》(Science)
不同于檢驗QED理論的傳統能譜測量方法，此次研究采用“隱形”原子的幻零波長對QED進行檢驗。幻零波長指當激光波長調制到特定的頻率時，原子單個能態的斯塔克頻移為零，原子在激光場中就如隱形一般。
前述中外團隊通過改變磁阱中氦原子玻色愛因斯坦凝聚體的空間振蕩頻率，來測量光學偶極勢的新方法，同時結合高精度原子結構理論計算，實現了在三百萬分之一水平上對QED理論的新檢驗。澳大利亞國立大學K.Baldwin實驗組完成了幻零波長實驗測量工作，中科院精密測量院團隊和溫莎大學教授G.W.F.Drake負責理論計算工作。
實驗方案，圖片來自中國科學院精密測量科學與技術創新研究院
利用幻零波長檢驗原子QED理論的方案，最早由唐麗艷和澳大利亞查爾斯達爾文大學J.Mitroy教授在2013年從理論方面提出。2015年，澳大利亞國立大學K.Baldwin實驗小組與理論團隊合作實現了氦原子幻零波長5ppm（ppm為10的負六次方，即百萬分之一）精度下的實驗測量。當時的實驗測量與理論預言之間存在134ppm差異。為了揭示這一差異，理論團隊自主發展了系列高精度的原子結構計算方法，實現了精度為0.1ppm水平的理論預言，為新一輪國際合作起到推進作用。
自2019年，理論與實驗團隊再度合作。此次，研究人員利用最靈敏的測量光偶極勢的方法識別出只有10的負35次方焦耳(J)的峰值勢能，實現了“隱形”氦原子幻零波長精度高達0.35ppm的實驗測定，測量精度較2015年實驗提高20倍。同時，理論上精確計算了延遲效應和磁化率對幻零波長的修正，精度達10ppb（ppb為10的負9次方，即十億分之一）水平。通過實驗測量與理論計算相比較，證實幻零波長對QED修正和延遲效應的敏感性，印證了唐麗艷和J.Mitroy提出的理論預言。
實驗不確定度與理論計算誤差的對比，以及理論計算中各項修正的貢獻，圖片來自中國科學院精密測量科學與技術創新研究院
未來，前述實驗測量精度有望提高一個數量級，達到30ppb水平。在此精度下，一方面可以拓寬人們對于QED理論的認知，另一方面可能探測到原子核的相關效應，為從“隱形”原子角度探究核結構性質開辟了新的研究窗口。
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