Tim peneliti Paris melakukan pengukuran paling akurat dari konstanta struktur halus hingga saat ini, menghilangkan harapan kami akan adanya interaksi yang tidak diketahui di alam.
Konstanta struktur halus diperkenalkan pada tahun 1916 untuk mengukur jarak antara dua garis dalam spektrum warna yang dipancarkan oleh atom tertentu. Dalam foto tersebut, jarak frekuensi yang rapat terlihat melalui resonator Fabry - Perot
Di antara konstanta fundamental yang paling terkenal adalah kecepatan cahaya c. Namun, nilai numeriknya tidak memberi tahu kita apa pun tentang alam - ini tergantung pada unit pengukuran, baik itu meter per detik atau mil per jam. Sebaliknya, konstanta struktur halus tidak berdimensi. Ini adalah angka belaka yang memiliki dampak luar biasa pada alam semesta. Richard Feynman menulis bahwa ini adalah "angka ajaib yang kami temukan tanpa pemahaman apa pun." Paul Dirac menganggap asal mula angka ini "masalah paling mendasar dalam fisika yang belum terpecahkan".
Nilai konstanta struktur halus, dilambangkan dengan huruf Yunani α, sangat dekat dengan pecahan 1/137. Ini sering ditemukan dalam persamaan yang menjelaskan perilaku cahaya dan materi. “Dalam arsitektur, misalnya, rasio emas adalah hal biasa,” kata Eric Cornell , fisikawan di Universitas Colorado dan Institut Standar dan Teknologi Nasional dan peraih Nobel. “Dan dalam fisika materi berenergi rendah - atom, molekul, kimia, biologi - ada rasio konstan dari ukuran lebih besar ke lebih kecil. Dan rasio ini sering kali berubah menjadi derajat struktur halus yang konstan. "
Konstanta ini ada di mana-mana karena menggambarkan kekuatan gaya elektromagnetik yang bekerja pada partikel bermuatan - elektron dan proton. “Dalam dunia sehari-hari, kita dihadapkan pada gravitasi atau elektromagnetisme. Inilah mengapa alfa sangat penting, ”kata Holger Mueller , fisikawan di Universitas California, Berkeley. 1/137 tidak banyak, dan pengaruh elektromagnetisme lemah. Akibatnya, partikel bermuatan membentuk sebagian besar atom kosong, di mana elektron bergerak dalam orbit yang jauh dan dengan mudah terlepas darinya. Ini mengarah pada pembentukan ikatan kimia. Di sisi lain, konstanta cukup besar - jika mendekati 1/138, karbon tidak akan tercipta di bintang-bintang, dan kehidupan yang kita kenal tidak dapat muncul.
Selama hampir seabad, fisikawan terobsesi dengan keinginan untuk mencari tahu mengapa nilai alfa berubah menjadi seperti ini. Tetapi hari ini mereka praktis kehilangan minat pada masalah ini, dan mengakui bahwa nilai konstanta fundamental bisa acak, ditentukan oleh lemparan dadu kosmik saat kelahiran alam semesta. Sekarang mereka punya tujuan baru.
Fisikawan ingin mengukur nilai konstanta struktur halus seakurat mungkin. Karena dapat ditemukan di mana-mana, artinya yang tepat memungkinkan mereka untuk menguji teori hubungan partikel elementer. Yaitu, seperangkat persamaan luar biasa yang dikenal sebagai Model Standar Fisika Partikel... Setiap ketidaksesuaian dalam nilai yang diukur secara tepat yang terkait satu sama lain dapat menunjukkan adanya partikel atau efek baru yang tidak dihitung oleh persamaan standar. Cornell menyebut pengukuran yang tepat seperti itu sebagai cara ketiga untuk secara eksperimental mengungkap prinsip-prinsip dasar alam semesta - setelah akselerator partikel dan teleskop.
Pada Desember 2020, tim yang terdiri dari empat fisikawan yang dipimpin oleh Saida Gelati-Khalifa dari laboratorium Kastler-Brossel di Paris menerbitkan sebuah makalah baru di Nature dengan pengukuran paling akurat dari struktur halus yang konstan hingga saat ini. Tim menerima nilai konstanta hingga 11 digit: α = 1 / 137.035999206.
Dengan kesalahan hanya 81 triliun, nilai baru tiga kali lebih akurat dari sebelumnya , dilakukan pada 2018 oleh pesaing utama tim, grup Mueller di Berkeley. Sebelum Müller, Gelati-Khalifa menerima nilai paling akurat saat itu pada tahun 2011. Dari nilai baru yang diterima rival mereka, Müller berkata: “Tiga kali serius. Anda bisa menyebutnya pencapaian luar biasa tanpa banyak keraguan. "
Saida Gelati-Khalifa di laboratoriumnya di Paris
Gelati Khalifa telah meningkatkan eksperimennya selama 22 tahun. Ini mengukur konstanta struktur halus dengan mengukur jumlah defleksi atom rubidium ketika mereka menyerap foton. Müller melakukan hal yang sama dengan atom cesium. Laju defleksi mencirikan massa atom rubidium - dalam rumus sederhana untuk konstanta struktur halus, ini adalah istilah yang paling sulit diukur. "Hambatan selalu merupakan nilai terukur yang paling tidak akurat, jadi setiap peningkatan di area ini mengarah pada penyempurnaan konstanta struktur halus," jelas Müller.
Para peneliti Paris mulai dengan mendinginkan atom rubidium hingga hampir nol mutlak dan kemudian melemparkannya ke ruang vakum. Saat awan atom turun, para peneliti menggunakan pulsa laser untuk membawanya ke superposisi kuantum dua keadaan - bertabrakan dengan foton dan tidak bertabrakan. Dua versi yang mungkin dari setiap atom bergerak di sepanjang jalur yang terpisah sampai pulsa laser baru menyatukan kembali bagian superposisi. Semakin banyak atom dibelokkan saat bertabrakan dengan foton, semakin berbeda fase dari versi lainnya, yang tidak bertabrakan dengan foton. Para peneliti mengukur perbedaan ini dengan menghitung laju defleksi. “Dari laju defleksi kita mendapatkan massa atom, dan massa atom secara langsung menentukan konstanta struktur halus,” kata Gelati-Khalifa.
Dalam eksperimen yang tepat seperti itu, setiap hal kecil penting. Tabel pertama dari pekerjaan baru menunjukkan "anggaran kesalahan" - 16 sumber kemungkinan kesalahan dan ketidakakuratan yang mempengaruhi hasil akhir. Ini termasuk gaya gravitasi dan Coriolis akibat rotasi bumi, keduanya telah dihitung dengan cermat dan diperhitungkan dalam pengukuran. Kontribusi terbesar terhadap anggaran kesalahan berasal dari kelemahan laser, yang terus ditingkatkan oleh para ilmuwan selama bertahun-tahun.
Hal tersulit bagi Gelati Khalifa adalah memikirkan kapan harus berhenti dan mempublikasikan hasilnya. Dia dan timnya berhenti pada 17 Februari 2020 - ketika virus corona mulai berkembang pesat di Prancis. Ketika ditanya apakah keputusan seorang ilmuwan tentang kapan menerbitkan sebuah karya adalah seperti pemikiran seorang seniman tentang kapan harus mempertimbangkan sebuah lukisan selesai. Gelati Khalifa menjawab: "Tepat, tepat, tepatnya."
Mengejutkan bahwa hasil pengukurannya berbeda dengan hasil pengukuran Mueller dari 2018 di posisi kesepuluh setelah koma - perbedaan ini lebih besar dari kesalahan kedua pengukuran. Ini berarti bahwa, dengan pengecualian perbedaan mendasar antara rubidium dan cesium, salah satu atau kedua pengukuran mungkin mengandung kesalahan yang tidak terhitung. Pengukuran grup Paris lebih akurat, sehingga memiliki keunggulan untuk saat ini, tetapi kedua tim akan meningkatkan pengaturan eksperimental mereka dan mencoba lagi.
Meskipun kedua pengukuran berbeda, keduanya mendekati nilai alfa yang diperoleh dari pengukuran faktor-g yang akurat. elektron - konstanta yang terkait dengan momen magnetnya, pada kenyataannya, torsi yang dialami dalam medan magnet. "Konstanta struktur halus dapat dikaitkan dengan faktor-g melalui sekumpulan besar rumus," kata Cornell. "Dan jika tidak ada cukup efek fisik dalam persamaan Model Standar, kami akan mendapatkan jawaban yang salah."
Namun nyatanya, semua pengukuran berada dalam kesesuaian yang sempurna, yang sebagian besar menolak beberapa asumsi tentang keberadaan partikel baru. Kebetulan pengukuran g-factor terbaik dan pengukuran yang dilakukan oleh Mueller pada tahun 2018 dipuji sebagai kemenangan terbesar Model Standar. Hasil baru Gelati Khalifa bahkan lebih baik sesuai ekspektasi. “Ini yang paling cocok antara teori dan eksperimen,” katanya.
Namun dia dan Mueller bertekad untuk lebih meningkatkan eksperimen. Tim Berkeley beralih ke laser baru dengan sinar yang lebih lebar (yang memungkinkan untuk menembak lebih merata di awan atom cesium). Tim Paris berencana untuk mengganti ruang vakum dan melakukan perbaikan lainnya.
Orang macam apa yang harus menghabiskan begitu banyak energi untuk hasil yang begitu sederhana? Gelati Khalifa menyebutkan tiga sifat: "Anda harus teliti, bersemangat dan jujur dengan diri sendiri." Mueller berkata, “Saya pikir ini semua sangat menarik. Secara pribadi, saya suka membuat perlengkapan baru yang mengkilap. Dan menerapkannya pada beberapa hal penting. " Dia mencatat bahwa tidak ada yang bisa sendirian membuat penumbuk berenergi tinggi seperti Penumbuk Hadron Besar Eropa. Namun, saat merakit instrumen ultra-presisi, "dimungkinkan untuk melakukan pengukuran yang penting untuk fisika fundamental, yang hanya bekerja pada tiga atau empat orang."