パリの研究者チームは、これまでで最も正確な微細構造定数の測定を実施し、自然界に未知の相互作用が存在するという私たちの希望を取り除きました。

微細構造定数は、特定の原子によって放出される色のスペクトルの2本の線の間の間隔を定量化するために1916年に導入されました。写真では、Fabry-Perot共振器 を通して、密集した周波数が見えます。
基本定数の中で最も有名なのは、光の速度cです。ただし、その数値は自然については何も教えてくれません。1秒あたりのメートル数、1時間あたりのマイル数など、測定単位によって異なります。一方、微細構造定数には次元がありません。これは、宇宙に多大な影響を与える膨大な数です。リチャード・ファインマンは、これは「私たちが理解せずに見つけた魔法の数字」だと書いています。ポール・ディラックは、この数字の起源を「物理学における未解決の問題の最も根本的なもの」と考えました。
ギリシャ語の文字αで示される微細構造定数の値は、1/137の割合に非常に近いです。それはしばしば光と物質の振る舞いを説明する方程式に見られます。 「たとえば、建築では、ゴールデンレシオが一般的です」と、コロラド大学と国立標準技術研究所の物理学者でノーベル賞受賞者のエリックコーネルは述べてい ます。 「そして、低エネルギー物質の物理学(原子、分子、化学、生物学)では、大きいサイズと小さいサイズの比率が常に発生します。そして、これらの比率は、一定の微細構造の程度であることがよくあります。」
この定数は、帯電した粒子(電子とプロトン)に作用する電磁力の強さを表すため、至る所に存在します。 「日常の世界では、重力または電磁気のいずれかに直面しています。アルファが非常に重要であるのはこのためです」とカリフォルニア大学バークレー校の物理学者であるホルガーミューラーは述べてい ます。 1/137は少なく、電磁気の影響は弱い。その結果、帯電した粒子は主に空の原子を形成し、その中で電子は離れた軌道を移動し、それらから簡単に引き裂かれます。これは化学結合の形成につながります。一方、定数は十分に大きいです-それが1/138に近い場合、炭素は星に生成されず、私たちに馴染みのある生活は現れません。
ほぼ1世紀の間、物理学者は、アルファの値がこのようになっている理由を知りたいという願望に取りつかれてきました。しかし今日、彼らはこの問題に実質的に冷静になり、基本定数の値は、宇宙の誕生時の宇宙のダイスのロールによって決定されるランダムである可能性があることを認識しています。今、彼らは新しい目標を持っています。
物理学者は、微細構造定数の値を可能な限り正確に測定したいと考えています。それはどこにでもあるので、その正確な意味は彼らが元素粒子の関係の彼らの理論をテストすることを可能にします。つまり、粒子物理学の標準モデルとして知られている壮大な方程式のセット ..。互いに関連する正確に測定された値の不一致は、新しい粒子の存在または標準的な方程式で説明されていない効果を示している可能性があります。コーネルは、そのような正確な測定を、宇宙の基本原理を実験的に明らかにするための3番目の方法と呼んでいます-粒子加速器と望遠鏡の後。
2020年12月、パリのKastler-Brossel研究所のSaida Gelati-Khalifaが率いる4人の物理学者のチームが、これまでで 最も正確な微細構造の測定値を備えた新しい論文をNatureに 発表しました。チームは、最大11桁の定数の値を受け取りました:α= 1 /137.035999266。
わずか81兆の誤差で、新しい値は、チームの主要な競合相手であるバークレーのミューラーグループによって2018年に実行された以前の値の3倍正確です 。ミュラーの前に、Gelati-Khalifaは2011年のその時点で最も正確な値を受け取りました。ライバルが受け取った新しい値の中で、ミュラーは次のように述べています。躊躇することなく素晴らしい成果と言えます。」

パリの研究室にいるSaidaGelati-Khalifa
Gelati Khalifaは、22年間実験を改善してきました。ルビジウム原子が光子を吸収したときのたわみ量を測定することにより、微細構造定数を測定します。ミュラーはセシウム原子でも同じことをします。偏向率はルビジウム原子の質量を特徴づけます-微細構造定数の簡単な式では、これは測定するのが最も難しい用語です。 「ボトルネックは常に最も精度の低い測定値であるため、この領域を改善すると、微細構造定数が改善されます」とミュラー氏は説明します。
パリの実験者は、ルビジウム原子をほぼ絶対ゼロに冷却し、次にそれらを真空チャンバーに投入することから始めました。原子の雲が下降している間、研究者はレーザーパルスを使用して、それらを2つの状態の量子重ね合わせにもたらしました-光子と衝突し、衝突しません。新しいレーザーパルスが重ね合わせの半分に収束するまで、各原子の2つの可能性のあるバージョンが別々のパスに沿って移動しました。フォトンと衝突するときに原子が偏向するほど、フォトンと衝突しなかった他のバージョンとは位相が大きく異なります。研究者らは、たわみ率を計算することによってこの差を測定しました。 「偏向率から原子の質量が得られ、原子の質量が微細構造定数を直接決定します」とGelati-Khalifa氏は述べています。
このような正確な実験では、あらゆる小さなことが重要です。新しい作業の最初の表は、「エラーバジェット」を示しています。これは、最終結果に影響を与える可能性のあるエラーと不正確さの16の原因です。これには、重力と地球の回転によるコリオリ力が含まれます。これらは両方とも慎重に計算され、測定で考慮されています。エラーバジェットの最大の原因は、科学者が長年にわたって絶えず改善しているレーザーの欠点にあります。
Gelati Khalifaにとって最も難しいのは、いつ停止して結果を公開するかを理解することです。彼とチームは、コロナウイルスがフランスで勢いを増していた2020年2月17日に停止しました。作品をいつ公開するかについての科学者の決定が、絵画の完成をいつ検討するかについてのアーティストの考えのようであるかどうかを尋ねられたとき。Gelati Khalifaは、「正確に、正確に、正確に」と答えました。
その測定結果が2018年のミューラーの結果と小数点以下10桁で異なることに驚きました。この差は、両方の測定の誤差よりも大きくなっています。これは、ルビジウムとセシウムの基本的な違いを除いて、一方または両方の測定値に原因不明のエラーが含まれている可能性があることを意味します。パリのグループの測定はより正確であるため、今のところ優位に立っていますが、両方のチームが実験のセットアップを改善して再試行します。
2つの測定値は異なりますが、正確なgファクター測定から得られたアルファ値に近い値です。 電子-その磁気モーメント、実際には、磁場で経験するトルクに関連する定数。 「微細構造定数は、膨大な数の式を通じてgファクターに関連付けることができます」とCornell氏は述べています。 「そして、標準モデルの方程式に十分な物理的効果がなかった場合、私たちは間違った答えを得るでしょう。」
しかし実際には、すべての測定値は完全に一致しており、ほとんどの場合、新しい粒子の存在に関するいくつかの仮定を拒否しています。 gファクターの最良の測定と2018年にミューラーによって行われた測定の一致は、標準モデルの最大の勝利として歓迎されました。 Gelati Khalifaの新しい結果は、期待に沿ってさらに優れています。 「これは理論と実験の最適な組み合わせです」と彼女は言いました。
それでも彼とミューラーは実験をさらに改善することを決意しています。バークレーチームは、より広いビームを備えた新しいレーザーに切り替えました(これにより、セシウム原子の雲をより均一に発射できるようになります)。パリのチームは、真空チャンバーの交換やその他の改善を計画しています。
そのような控えめな結果にこれほど多くのエネルギーを費やすには、どのような人が必要ですか?Gelati Khalifaは、次の3つのプロパティに名前を付けました。「慎重で、熱心で、自分自身に正直である必要があります。」ミューラーは次のように述べています。「これはすべて非常に興味深いことだと思います。個人的には、光沢のある新しいギアを作るのが大好きです。そして、それらをいくつかの重要なことに適用してください。」彼は、ヨーロッパの大型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一人で作ることは誰にもできないと述べました。しかし、超精密機器を組み立てる場合、「基本的な物理学にとって重要な測定を実行することは可能であり、私たちの3人か4人だけで作業できます」。