Natuurkundigen van de Australian National University hebben de meest gevoelige methode ooit ontwikkeld voor het meten van de potentiële energie van een atoom (binnen een honderdste van een deciljoenste van een joule - of 10 ^-35 joule), en gebruikte het om een ​​van de meest geteste theorieën in de natuurkunde te valideren:kwantumelektrodynamica (QED).

Het onderzoek, deze week gepubliceerd in Science is gebaseerd op het vinden van de kleur van laserlicht waar een heliumatoom onzichtbaar is, en is een onafhankelijke bevestiging van eerdere methoden die zijn gebruikt om QED te testen, waarbij overgangen van de ene atoomenergietoestand naar de andere werden gemeten.

"Deze onzichtbaarheid is alleen voor een specifiek atoom en een specifieke lichtkleur - dus het kan niet worden gebruikt om een ​​onzichtbaarheidsmantel te maken die Harry Potter zou gebruiken om donkere hoeken op Zweinstein te onderzoeken", zegt hoofdauteur Bryce Henson, een Ph. .D. student aan ANU Research School of Physics.

"Maar we waren in staat om enkele donkere hoeken van de QED-theorie te onderzoeken."

"We hoopten QED te pakken te krijgen, omdat er eerdere discrepanties waren tussen theorie en experimenten, maar het is met een redelijk goed cijfer geslaagd."

Quantum Electrodynamics, of QED, werd eind jaren veertig ontwikkeld en beschrijft hoe licht en materie op elkaar inwerken, waarbij zowel de kwantummechanica als de speciale relativiteitstheorie van Einstein zijn geïntegreerd op een manier die al bijna tachtig jaar succesvol is.

Echter, hints dat de QED-theorie enige verbetering nodig had, kwamen van discrepanties in metingen van de grootte van het proton, die grotendeels werden opgelost in 2019.

Rond deze tijd ANU Ph.D. Geleerde Bryce Henson merkte kleine trillingen op in een zeer gevoelig experiment dat hij uitvoerde op een ultrakoude wolk van atomen die bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat.

Hij mat de frequentie van de oscillaties met recordprecisie en ontdekte dat interacties tussen de atomen en het laserlicht de frequentie veranderden, omdat de laserkleur varieerde.

Hij realiseerde zich dat dit effect kon worden benut om zeer nauwkeurig de precieze kleur te bepalen waarbij de atomen helemaal geen interactie hadden met de laser en de oscillatie onveranderd bleef, met andere woorden effectief onzichtbaar werd.

Met de combinatie van een laser met een extreem hoge resolutie en atomen die zijn afgekoeld tot 80 miljardste van een graad boven het absolute nulpunt (80 nanokelvin), bereikte het team een ​​gevoeligheid in hun energiemetingen die 5 ordes van grootte minder was dan de energie van de atomen, ongeveer 10 ^–35 joule, of een temperatuurverschil van ongeveer 10 ^-13 van een graad kelvin.

"Dat is zo klein dat ik geen enkel fenomeen kan bedenken om het mee te vergelijken - het is zo ver van het einde van de schaal", zei de heer Henson.

Met deze metingen kon het team zeer nauwkeurige waarden afleiden voor de onzichtbaarheidskleur van helium. Om hun resultaten te vergelijken met theoretische voorspellingen voor QED, wendden ze zich tot professor Li-Yan Tang van de Chinese Academie van Wetenschappen in Wuhan en professor Gordon Drake van de Universiteit van Windsor in Canada.

Eerdere berekeningen met QED hadden minder onzekerheid dan de experimenten, maar met de nieuwe experimentele techniek die de nauwkeurigheid met een factor 20 verbeterde, moesten de theoretici de uitdaging aangaan en hun berekeningen verbeteren.

In deze zoektocht waren ze meer dan succesvol:ze verbeterden hun onzekerheid tot slechts 1/40ste van de laatste experimentele onzekerheid, en selecteerden de QED-bijdrage aan de onzichtbaarheidsfrequentie van het atoom die 30 keer groter was dan de onzekerheid van het experiment. De theoretische waarde was slechts iets lager dan de experimentele waarde met 1,7 keer de experimentele onzekerheid.

Leider van de internationale samenwerking, professor Ken Baldwin van de ANU Research School of Physics, zei dat verbeteringen aan het experiment kunnen helpen de discrepantie op te lossen, maar ook een buitengewoon hulpmiddel zouden zijn dat QED en andere theorieën zou kunnen verhelderen.

"Nieuwe instrumenten voor precisiemetingen zorgen vaak voor grote veranderingen in het theoretische begrip", zei professor Baldwin. + Verder verkennen

JILA-atoomklokken meten Einsteins algemene relativiteitstheorie op millimeterschaal