Точная настройка внутреннего магнетизма мюонов
После измерения колебаний 300 миллиардов мюонов коллаборация Muon g − 2 с исключительной точностью определила внутренний магнетизм этих субатомных частиц. Магнитная сила мюона, или момент, оживила исследования в области физики элементарных частиц за последние два десятилетия, поскольку эксперимент и теория, казалось, расходились в оценке его значения, что указывало на возможную новую физику.
Окончательные результаты эксперимента Muon g − 2 согласуются с последними прогнозами, дополнительно подтверждая стандартную модель физики элементарных частиц.
Мюоны в центре внимания физики элементарных частиц
Мюон — тяжёлый родственник электрона — начал привлекать внимание физиков в 1990-х годах, когда эксперимент в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке сообщил о первых намёках на то, что магнитное поведение мюона может не соответствовать прогнозам, основанным на стандартной модели.
Для дальнейшего изучения этого несоответствия большой магнит эксперимента был перемещён через всю страну в 2013 году в Национальную лабораторию Ферми (Fermilab) в Иллинойсе. Первые результаты перенесённого эксперимента Muon g − 2 были опубликованы в 2021 году, показывая хорошее согласие с результатами Брукхейвена и повышая значимость расхождения.
Новый результат выделяется своей чувствительностью
Новый результат выделяется своей чувствительностью, с полосами ошибок, которые в 4 раза меньше, чем у эксперимента в Брукхейвене, и в 1,6 раза меньше, чем у предыдущего эксперимента в Фермилабе. Точность составляет 127 частей на миллиард, что сравнимо с взвешиванием бизона с точностью до 100 мг (эквивалентно семечку подсолнуха).
Увеличение атомных изображений: новый метод исследования квантовой материи
Чтобы глубже понять квантовую материю, исследователи должны изучать её на микроскопическом уровне. Ультрахолодные атомы — ансамбли атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля — предлагают исключительно чистую и контролируемую платформу для изучения коллективных квантовых явлений.
Преодоление ограничений оптического разрешения
Исследователи из Гейдельбергского университета в Германии представили метод преодоления этого барьера путём «самоувеличения» системы перед визуализацией. Этот подход может стать стимулом для использования ультрахолодных атомов в качестве симуляторов сложных квантовых явлений, от сверхтвёрдости до топологически коррелированных состояний.
Принцип работы метода
Команда использовала ультрахолодные атомы лития-6, удерживаемые в плоскости. В этой плоскости атомы удерживались в гармонической ловушке — идеально параболическом потенциальном колодце. Чтобы построить интуицию, давайте временно упростим картину, выйдя из квантового мира в классический и рассмотрев движение в одном пространственном измерении.
Для «самоувеличения» системы исследователи использовали точно рассчитанную последовательность экспериментальных шагов. Сначала они резко «выключили» любые взаимодействия между частицами, чтобы атомы не возмущали друг друга во время следующих шагов. Затем они позволили атомам свободно эволюционировать в относительно плотной ловушке в течение четверти периода колебаний — эквивалентно, в аналогии со свинг-системой, перемещению от самой высокой точки до самой низкой.
В конце этой последовательности можно сделать снимок увеличенного пространственного распределения, разрешив каждый атом индивидуально с помощью установленных оптических методов, которые также определяют его спин.
Применение метода
Этот подход может быть применён в принципе к системам, содержащим множество частиц. Особенно многообещающие приложения лежат в изучении квантовых систем, демонстрирующих такие явления, как сверхтвёрдость и возникновение самосвязанных квантовых капель. Эти состояния были обнаружены в нескольких экспериментах за последние годы и в настоящее время изучаются с помощью аналогичных систем, состоящих из ультрахолодных дипольных молекул. Волновой усилитель функций, представленный здесь, может иметь решающее значение для доступа к микроскопической организации таких состояний, где межчастичное расстояние составляет порядка всего 0,1 мкм.
Создание топологически упорядоченных квантовых фаз
В квантовой физике многих тел исследователи традиционно задавали конкретный вопрос: учитывая конкретную систему взаимодействующих частиц, какие квантовые фазы могут возникнуть? Но в последние несколько лет внимание начало смещаться на обратный вопрос: учитывая конкретную квантовую фазу, какие системы могут её породить?
Теперь Николаи Ланг и его коллеги из Университета Штутгарта в Германии добились прогресса в ответе на этот вопрос. В своей теоретической работе они показали, как простые атомные системы можно заставить войти в предопределённые топологически упорядоченные квантовые фазы, экзотические состояния с потенциальными приложениями в квантовых вычислениях.