电子的高精度测量精度提高了13倍

绝对轻量级的比例尺：物理学家利用这个潘宁阱来确定电子的质量，方法是迫使电子与碳12核一起沿着螺旋轨迹运动。碳离子的旋转频率是计算的输入，最终为电子质量提供了一个非常精确的值。

马克斯·普朗克研究所的物理学家已经实现了对电子原子质量的高精度测量，其精确度是以前已知的13倍。

电子是我们世界的量子胶。没有电子，就不会有化学反应，光将无法与物质相互作用。如果电子只比它们重一点或轻一点，那么世界将大为不同。但是，如何称得如此微小以至于到目前为止却仍被认为是点状的粒子才真正被称重呢？现在，这项壮举已在一个合作项目中实现，该项目涉及海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的物理学家，他们“称量”电子的质量比以前已知的精确了13倍。由于电子质量涉及基本物理常数，因此对基本物理意义重大。

海德堡马克斯·普朗克核物理研究所所长克劳斯·布劳姆（Klaus Blaum）表示：“通常，您需要进行十到二十年的精密物理学研究，才能将基本值提高一个数量级。”报告这一最新结果在科学会议上产生的“巨大反应”。在短短几年内，由海德堡团队领导的合作研究设法将电子质量的值更精确地确定了13倍。项目负责人Sven Sturm通过下图说明了用于实现此结果的“秤”的极高灵敏度：“如果将其应用于空中客车A-380，仅需称重，我们就能检测到蚊子是偷渡者。”

物理学家现在知道电子的质量到11位小数这一事实很重要，因为电子几乎无处不在。仅阅读此文本即意味着电子必须将光转换为眼睛中的神经冲动。根据目前的知识，这些微小的颗粒没有空间范围，因此在自然界中具有巨大的力量。它们的质量尤其与基本物理常数的值相关。一个例子是“精细结构常数”，它确定原子和分子的形状和特性。布劳姆说：“它基本上描述了我们所能看到的一切，因为它在光与物质之间的相互作用中起着核心作用。”如果大自然赋予电子的质量只有一点点不同，原子看起来就会完全不同。这样的世界可能很奇怪。

电子质量与碳核一起测量

在所谓的物理标准模型中，电子的质量也是一个中心变量，该模型描述了四个当前已知的物理基本力中的三个。尽管该模型运行良好，但现在很明显，其有效性存在局限性。然而，标准模型的局限性在哪里，这是一个悬而未决的问题。因此，对电子质量的精确了解可能对寻找以前未知的物理相互关系至关重要。

由克劳斯·布劳姆（Klaus Blaum）和斯文·斯特姆（Sven Sturm）领导的物理学家团队进行了一项独创的实验，以确定电子的极小质量。原则上，称量需要参考以进行比较。Blaum解释说：“如果您是早上使用秤，在旧的机械模型中，这是弹簧。”梁秤有一个配重作为参考。在电子的情况下，物理学家面临的问题是，所有可以有意义地用作参考砝码的基本粒子要重得多。布劳姆解释说：“例如，质子或中子要重两千倍，这就像是要用大象作为对重来称量兔子。”因此，对于他们的实验，物理学家们采用了一种狡猾的策略。尽管他们将两个非常不相等的质量聚集在一起，但他们甚至没有尝试借助原子象直接称重电子兔子。

布拉姆（Blaum）在美因兹大学（University of Mainz）的博士生Sven Sturm进行了这项实验。他说：“主要的挑战是开发测量方法。”作为博士后，他继续领导该团队，该团队对电子质量进行了精确测量。物理学家将单个电子与极重的碳（C）12同位素的裸核配对。选择该碳同位素时要谨慎考虑，因为它是原子质量单位的基础。根据定义，C 12的质量是确切已知的，并且将其用作参考排除了主要的误差源。Sturm强调：“控制系统错误绝对至关重要”。

潘宁捕集阱使碳离子在电路中快速运动

电子如何称重？在Penning阱（左）中，磁场（黑色箭头）迫使具有单个电子的碳12核沿着螺旋线运动（右）。从简化的角度来看，该电路可以被视为圆形路径（绿色）。可以基于旋转频率确定具有一个电子的碳12核的精确质量。然后，通过使用量子力学将具有5个电荷的碳原子的质量与电子自旋的进动相关联来获得电子的质量（黑线，右）。

物理学家炸掉了碳原子的六个电子中的五个，以制备一个带有单个电子的C12原子核。剩下的带有五个电荷的碳离子-一个电子的碳核-被设置成围绕一个电路竞赛，以高度简化的方式来看，可以认为它是圆形的。具有极均匀磁场的所谓的潘宁阱（Penning trap）迫使碳离子沿着该圆形路径运动。

“进行精确测量时，目标始终是使测量变量精确可数”，Blaum解释了该方法背后的思想时说：“在一级方程式赛车的赛道上，观众可以计算出赛车经过多少次射击，如果他们知道赛道的长度，就可以估算出赛车的速度。”彭宁陷阱的情况与此类似。然而，在这种情况下，物理学家甚至能够测量整个电路中最微小的部分。

在第二步中，量子力学是有帮助的，然后需要用它来确定电子的质量。电子具有所谓的“自旋”，使它们像微型磁铁一样起作用。在Penning陷阱的强磁场中，这种自旋像微小的陀螺仪一样进动或摆动。尽管进动非常迅速，但是物理学家还是有一种精确测量的策略。关键在于陷阱中碳离子的旋转频率与电子进动的摆动频率彼此之间具有精确的比率。像齿轮机构一样，量子力学将碳离子的质量牢固地链接到电子的质量上，从而可以测量电子的质量。

只有理论上的贡献才能测量电子质量

但是，在称为g因子或旋磁因子的机制中，人们对“齿轮”的理解却很少。“在这里，我们与研究所的克里斯托夫·基特尔（Christoph Keitel）的理论小组密切合作发挥了至关重要的作用，”布劳姆解释说。在同一个合作伙伴的先前结果的基础上，由小组负责人佐尔坦·哈曼（ZoltánHarman）领导的研究所的理论学家能够比过去更精确地计算g因子，从而可以精确确定电子质​​量。

此类高精度实验得益于与科学家合作的方法，他们可以贡献不同的专业知识。来自达姆施塔特的GSI HelmholtzzentrumfürSchwerionenforschung和约翰内斯·古腾堡大学美因兹的物理学家做出了重大贡献。结果是一个奇妙的精确数字，揭示了一个电子具有质子质量的1 / 1836.15267377。以千克表示，电子质量大约是不可想象的10-30千克，即小数点后三十个零。尽管电子确实是轻质的，但它在自然界中起着举足轻重的作用。

出版物：S. Sturm等人，“电子原子质量的高精度测量”，《自然》 506，467–470（2014年2月27日）； doi：10.1038 / nature13026

图片：Sven Sturm / MPI，用于核物理