Ученые уточнили значение постоянной тонкой структуры

Французские физики максимально точно вычислили значение постоянной тонкой структуры – одной из важнейших фундаментальных констант, которая определяет внешний вид и свойства окружающей нас Вселенной. Новое значение оказалось примерно в три раза точнее предыдущих. Статью с результатами вычислений опубликовал научный журнал Nature.

Ученые активно спорят о том, были ли законы физики всегда одинаковы или во время Большого взрыва и в первые эпохи существования Вселенной, когда ее границы расширялись очень быстро, они могли отличаться от современных.

В частности, космологи хотят узнать, менялось ли значение одной из важнейших физических констант – постоянной тонкой структуры. Эта безразмерная величина определяет характер взаимодействий между электромагнитным излучением и материей. По последним подсчетам она равна единице, разделенной на 137,035. Однако, как показывают наблюдения за белыми карликами и далекими квазарами, во время юности Вселенной она могла быть другой.

Физики из Франции под руководством профессора Сорбоннского университета Саиды Гелатти-Хелифы уточнили значение этой постоянной. Для этого они наблюдали за тем, с какой скоростью начинает двигаться атом рубидия, подсвеченный лазером с четко выверенной мощностью, размерами и формой.

Значение постоянной тонкой структуры можно определить как напрямую, так и косвенно, используя значения других величин, измерить которые значительно проще. В ходе прямых экспериментов ученые, как правило, охлаждают атомы рубидия или цезия до температуры, близкой к абсолютному нулю, и наблюдают за тем, как те взаимодействуют с частицами света.

Подсвечивая его с помощью лазера, физики измеряют, с какой скоростью движется этот атом. Благодаря этому можно очень точно измерить его массу. Затем это значение используют для того, чтобы вычислить массу электрона, которая, в свою очередь, позволяет определить, насколько крепко он связан с атомом. Через это соотношение и можно вычислить постоянную тонкой структуры.

Гелатти-Хелифа и ее коллеги справились с большей частью помех и неопределённостей, которые возникают при таких измерениях из-за несовершенства лазера и измерительных приборов. Благодаря этому ученые утроили точность вычислений и получили значение постоянной тонкой структуры с рекордно низкой погрешностью в 80 частей на триллион. По их подсчетам, это значение составляет единицу, разделенную на 137.035999206(11).

Это значение, как отмечают ученые, вполне соответствует тому, что предсказывает Стандартная модель – теория, которая описывает большую часть взаимодействий всех известных сейчас науке элементарных частиц. Это говорит в пользу того, что электрон – истинно неделимая элементарная частица. Кроме того, новое значение сильно сузило пространство для поиска гипотетических частиц темной материи, которые в теории могут влиять на поведение и некоторые свойства электронов.

С другой стороны, как пишут физики, новое значение постоянной тонкой структуры сильно расходится с их предыдущими оценками, которые были получены в 2011 и 2012 годах с помощью двух других методик, а также не совпадают с замерами их коллег из США, опубликованных в 2018 году. Эти расхождения выражаются в том, что более точное значение постоянной тонкой структуры оказалось больше всех ранних оценок.

С чем связано это несовпадение значений, ученые пока не знают. Они предполагают, что причиной этого стали особенности в работе лазеров и методике «удаления» помех из данных, а не реальными физическими процессами, которые выходят за рамки Стандартной модели. Физики надеются, что дальнейшие эксперименты помогут узнать, в чем причина этого, и позволят ученым впервые проверить, обладают ли электроны такими же аномальными магнитными свойствами, как и мюоны, их тяжелые аналоги.