許可を得て転載 Quanta Magazine の Abstractions ブログ。
基本定数として、光の速さ、c 、すべての名声を楽しんでいますが、c の数値は自然について何も言いません。メートル/秒で測定するか、時速マイルで測定するかによって異なります。対照的に、微細構造定数には次元も単位もありません。これは、宇宙を驚くほど形作る純粋な数字です。リチャード ファインマンが説明したように、「何の理解もなしに私たちにもたらされる魔法の数字」です。ポール・ディラックは、数の起源を「物理学の最も根本的な未解決の問題」と考えました。
数値的には、ギリシャ文字 α (アルファ) で表される微細構造定数は、比率 1/137 に非常に近くなります。それは、光と物質を支配する式によく現れます。コロラド大学ボルダー校および国立標準技術研究所でノーベル賞を受賞した物理学者であるエリック コーネル氏は、次のように述べています。 「原子、分子、化学、生物学などの低エネルギー物質の物理学では、大きなものと小さなものとの比率が常に存在します」と彼は言いました。 「これらの比率は、微細構造定数の累乗になる傾向があります。」
定数は、電子や陽子などの荷電粒子に影響を与える電磁力の強さを特徴付けるため、どこにでもあります。 「私たちの日常世界では、すべてが重力または電磁気のいずれかです。だからこそ、アルファが非常に重要なのです」と、カリフォルニア大学バークレー校の物理学者、Holger Müller 氏は述べています。 1/137は小さいので電磁気が弱く、その結果、荷電粒子は空気原子を形成し、その電子は遠くを周回し、容易に飛び去り、化学結合を可能にします。一方で、定数も十分に大きいです。物理学者は、それが 1/138 のようなものである場合、星は炭素を生成できず、私たちが知っているような生命は存在しないと主張しています.
物理学者は、アルファの特定の値がどこから来るのかについての 100 年前の執着を多かれ少なかれあきらめました。彼らは現在、基本的な定数がランダムであり、宇宙の誕生時に宇宙のサイコロを振って決定されることを認めています。しかし、新しい目標が引き継がれました.
物理学者は、微細構造定数をできるだけ正確に測定したいと考えています。それは非常に遍在しているため、正確に測定することで、素粒子間の相互関係に関する理論をテストすることができます。素粒子物理学の標準モデルとして知られる壮大な方程式のセットです。関連する量の超精密測定値間の不一致は、標準方程式では説明されていない新しい粒子または効果を示している可能性があります。コーネルは、これらの種類の精密測定を、粒子コライダーや望遠鏡とともに、宇宙の基本的な仕組みを実験的に発見する第 3 の方法と呼んでいます。
Nature の新しい論文で 、パリのカスラーブロッセル研究所のサイダゲラティケリファが率いる4人の物理学者のチームは、微細構造定数のこれまでで最も正確な測定を報告しました。チームは定数の値を小数点第 11 位まで測定し、α =1/137.035999206 と報告しました。
わずか 81 ppt の誤差範囲で、新しい測定値は、主な競争相手であるバークレーのミュラーのグループによる 2018 年の以前の最良の測定値よりもほぼ 3 倍正確です。 (Guellati-Khélifa は、2011 年にミュラーよりも前に最も正確な測定を行いました。) ミュラーは、ライバルのアルファの新しい測定について、次のように述べています。これを大きな成果と呼ぶことをためらわないでください。」
Guellati-Khélifa は過去 22 年間、実験を改善してきました。彼女は、ルビジウム原子が光子を吸収したときの反動の強さを測定することで、微細構造定数を測定します。 (Müller はセシウム原子についても同じことを行っています。) 反跳速度は、ルビジウム原子がどれほど重いかを明らかにします。これは、微細構造定数の単純な式で測定するのが最も難しい要因です。 「ボトルネックとなるのは常に最も精度の低い測定値です。そのため、その改善は微細構造定数の改善につながります」と Müller 氏は説明しました。
パリの実験者は、まずルビジウム原子をほぼ絶対零度まで冷却し、真空チャンバーに落とします。原子の雲が落ちると、研究者はレーザーパルスを使用して、原子を2つの状態の量子重ね合わせにします。各原子の 2 つの可能なバージョンは、さらに多くのレーザー パルスが重ね合わせの半分を元に戻すまで、別々の軌道を移動します。光によってキックされたときに原子が反動するほど、キックされていないバージョンの原子との位相がずれます。研究者はこの差を測定して、原子の反動速度を明らかにします。 「反動速度から原子の質量を抽出し、原子の質量は微細構造定数の決定に直接関与します」と Guellati-Khélifa 氏は述べています。
このような正確な実験では、すべての詳細が重要です。新しい論文の表 1 は、最終的な測定に影響を与える 16 のエラーと不確実性の原因をリストした「エラー バジェット」です。これらには、重力と地球の自転によって生み出されるコリオリの力が含まれます。エラー バジェットの多くは、研究者が何年もかけて完成させてきたレーザーの弱点に起因しています。
Guellati-Khélifa にとって最も困難な部分は、いつ公開を停止して公開するかを知ることです。彼女と彼女のチームは、2020 年 2 月 17 日の週に、コロナウイルスがフランスで足場を築いていたのと同じように活動を停止しました。出版を決定することは、芸術家が絵画の完成を決定するようなものかどうか尋ねられたゲラティ＝ケリファ氏は、次のように述べています。丁度。まさに。」
驚いたことに、彼女の新しい測定値は、ミュラーの 2018 年の結果とは 10 桁目で異なり、どちらの測定値の誤差よりも大きな差異がありました。これは、ルビジウムとセシウムの根本的な違いがなければ、測定値の一方または両方に原因不明の誤差があることを意味します。 Paris グループの測定の方が正確であるため、現時点では優先されますが、両方のグループが設定を改善して再試行します。
2 つの測定値は異なりますが、電子の g の正確な測定値から推測されるアルファ値とよく一致しています。 係数、その磁気モーメント、または電子が磁場で経験するトルクに関連する定数。 「微細構造定数をgに接続できます たくさんの数学を使った要因です」とコーネルは言いました。 「[標準モデルの]方程式に欠けている物理的効果があれば、答えを間違えることになります。」
代わりに、測定値は見事に一致し、新しい粒子のいくつかの提案をほとんど除外しています。最高の g 間の合意 因子測定とミュラーの 2018 年の測定は、標準モデルの最大の勝利として歓迎されました。 Guellati-Khélifa の新しい結果は、さらによく一致しています。 「これは理論と実験の最も正確な一致です」と彼女は言いました。
それでも、彼女とミュラーはさらなる改善に着手しました。バークレーのチームは、より広いビームを持つ新しいレーザーに切り替えました (セシウム原子の雲をより均等に照射できるようにするため)。一方、パリのチームは、真空チャンバーの交換などを計画しています。
わずかな改善にこれほどまでに多大な労力を費やすのはどのような人でしょうか。 Guellati-Khélifa は 3 つの特徴を挙げました。ミュラーは同じ質問に答えて次のように述べています。そして、それらを重要なことに適用するのが大好きです。」彼は、ヨーロッパのラージ ハドロン コライダーのような高エネルギー コライダーを単独で構築できる人はいないと指摘しました。しかし、超高エネルギーの装置ではなく、超精密な装置を構築することで、ミュラー氏は、「基礎物理学に関連する測定を行うことができますが、3 人か 4 人で行うことができます」と述べています。
Natalie Wolchover は のシニア ライター兼編集者です。 Quanta 物理科学を扱う雑誌。
