近日，中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院與澳大利亞、加拿大科學(xué)家，合作實(shí)現(xiàn)了“隱形”原子幻零波長(zhǎng)精密計(jì)算，開辟量子電動(dòng)力學(xué)理論檢驗(yàn)的新方法。

量子電動(dòng)力學(xué)(QED)是描述粒子間電磁相互作用的基本物理理論，是支撐現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的基石。對(duì)QED理論的嚴(yán)格檢驗(yàn)，有助于確定基本物理常數(shù)、探究原子核相關(guān)性質(zhì)、以及探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型以外的新物理。因此，自QED理論提出近80年以來，人們對(duì)QED理論的檢驗(yàn)從未間斷。迄今QED理論檢驗(yàn)的方法有電子反常磁矩的精確確定，但較少有電子原子分子精密譜的研究。

此次，中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院的原子分子外場(chǎng)理論組研究員唐麗艷、副研究員張永慧等與澳大利亞國(guó)立大學(xué)、加拿大溫莎大學(xué)合作，實(shí)現(xiàn)了氦原子413nm（納米）幻零波長(zhǎng)的精確計(jì)算和精密測(cè)量，開辟了“隱形”原子幻零波長(zhǎng)精密測(cè)量檢驗(yàn)QED理論的新途徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)》(Science)期刊。

圖片來自《科學(xué)》(Science)

不同于檢驗(yàn)QED理論的傳統(tǒng)能譜測(cè)量方法，此次研究采用“隱形”原子的幻零波長(zhǎng)對(duì)QED進(jìn)行檢驗(yàn)?；昧悴ㄩL(zhǎng)指當(dāng)激光波長(zhǎng)調(diào)制到特定的頻率時(shí)，原子單個(gè)能態(tài)的斯塔克頻移為零，原子在激光場(chǎng)中就如隱形一般。

前述中外團(tuán)隊(duì)通過改變磁阱中氦原子玻色愛因斯坦凝聚體的空間振蕩頻率，來測(cè)量光學(xué)偶極勢(shì)的新方法，同時(shí)結(jié)合高精度原子結(jié)構(gòu)理論計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了在三百萬分之一水平上對(duì)QED理論的新檢驗(yàn)。澳大利亞國(guó)立大學(xué)K.Baldwin實(shí)驗(yàn)組完成了幻零波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量工作，中科院精密測(cè)量院團(tuán)隊(duì)和溫莎大學(xué)教授G.W.F.Drake負(fù)責(zé)理論計(jì)算工作。

實(shí)驗(yàn)方案，圖片來自中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院

利用幻零波長(zhǎng)檢驗(yàn)原子QED理論的方案，最早由唐麗艷和澳大利亞查爾斯達(dá)爾文大學(xué)J.Mitroy教授在2013年從理論方面提出。2015年，澳大利亞國(guó)立大學(xué)K.Baldwin實(shí)驗(yàn)小組與理論團(tuán)隊(duì)合作實(shí)現(xiàn)了氦原子幻零波長(zhǎng)5ppm（ppm為10的負(fù)六次方，即百萬分之一）精度下的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論預(yù)言之間存在134ppm差異。為了揭示這一差異，理論團(tuán)隊(duì)自主發(fā)展了系列高精度的原子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了精度為0.1ppm水平的理論預(yù)言，為新一輪國(guó)際合作起到推進(jìn)作用。

自2019年，理論與實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)再度合作。此次，研究人員利用最靈敏的測(cè)量光偶極勢(shì)的方法識(shí)別出只有10的負(fù)35次方焦耳(J)的峰值勢(shì)能，實(shí)現(xiàn)了“隱形”氦原子幻零波長(zhǎng)精度高達(dá)0.35ppm的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，測(cè)量精度較2015年實(shí)驗(yàn)提高20倍。同時(shí)，理論上精確計(jì)算了延遲效應(yīng)和磁化率對(duì)幻零波長(zhǎng)的修正，精度達(dá)10ppb（ppb為10的負(fù)9次方，即十億分之一）水平。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論計(jì)算相比較，證實(shí)幻零波長(zhǎng)對(duì)QED修正和延遲效應(yīng)的敏感性，印證了唐麗艷和J.Mitroy提出的理論預(yù)言。

實(shí)驗(yàn)不確定度與理論計(jì)算誤差的對(duì)比，以及理論計(jì)算中各項(xiàng)修正的貢獻(xiàn)，圖片來自中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院

未來，前述實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度有望提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到30ppb水平。在此精度下，一方面可以拓寬人們對(duì)于QED理論的認(rèn)知，另一方面可能探測(cè)到原子核的相關(guān)效應(yīng)，為從“隱形”原子角度探究核結(jié)構(gòu)性質(zhì)開辟了新的研究窗口。

關(guān)鍵詞： 量子電動(dòng)力學(xué)