撰文 | Holger Müller

每一位物理學(xué)家都知道精細結(jié)構(gòu)常數(shù)α的近似值（1/137）,。這個常數(shù)描述了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中基本粒子之間電磁力的強度，因此是物理學(xué)基礎(chǔ)的核心,。例如,，氫原子的結(jié)合能——即分開原子中電子和質(zhì)子所需要的能量——大約等于電子質(zhì)量所對應(yīng)能量的α²/2倍。進一步地,，電子的磁矩比帶電的質(zhì)點粒子的理論磁矩要略微大一些,，即1 + α/(2π)倍。這個“異?！钡拇啪匾呀?jīng)在越來越高的精度下被驗證成立,，并成為了“標(biāo)準(zhǔn)模型最偉大的勝利”[1]。Morel等人在《自然》[2]上發(fā)表了一篇文章,，以萬億分之81的精度測量了α的值,。是此前最好測量結(jié)果的2.5倍[3]。

該測量包含了三個步驟,。首先,，使用一道激光束讓原子吸收并釋放多個光子。在此過程中,，原子會發(fā)生反沖（見圖1a）,。原子的質(zhì)量可以通過測量反沖的動能來計算。第二步,，使用原子質(zhì)量對電子質(zhì)量的比例來計算電子質(zhì)量[4,5],，這個比例是已知的精確值（見圖1b）,。第三步,，通過電子質(zhì)量和氫原子結(jié)合能計算α，其中氫原子的結(jié)合能可以通過光譜學(xué)得出[6]（見圖1c）,。

圖1 | 測量精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的過程,。Morel等人[2]發(fā)表了一種能以很高精度測量精細結(jié)構(gòu)常數(shù)——反映基本粒子間電磁力強度的物理常數(shù)——的方法。a,，測量該常數(shù)時,，一束激光會引起原子反沖,。圖中的紅色和藍色分別表示光波的波峰和波谷。使用反沖的動能可以計算出原子質(zhì)量,。b,，原子和電子質(zhì)量的比值是有精確值的[4,5]。用這個值和原子質(zhì)量就可以推導(dǎo)出電子質(zhì)量,。c,，最后，電子質(zhì)量和氫原子的結(jié)合能就可以用來計算精細結(jié)構(gòu)常數(shù),。結(jié)合能可以通過光譜學(xué)技術(shù)[6],，分析氫原子放出的光子來確定。 

但是,，反沖能量很小,，難以測量?；诩す獾脑永鋮s技術(shù)讓物理學(xué)家能夠?qū)υ舆M行干涉測量——這一測量技術(shù)利用了原子物質(zhì)波的干涉現(xiàn)象,。在原子干涉儀中，原子有50%概率會和激光脈沖之中的光子發(fā)生相互作用,。因此,，氫原子同時存在于兩個量子態(tài)中：靜止的狀態(tài)和吸收了光子動量后移動的狀態(tài)。

這種情況相當(dāng)于產(chǎn)生了兩個反向傳播的粒子物質(zhì)波,。這兩道物質(zhì)波可以通過發(fā)射更多的激光脈沖來重新組合到一起,，并產(chǎn)生疊加或抵消的干涉效果，而這會導(dǎo)致觀測到原子的概率變多或變少,。兩道干涉波之間的相位差與波的傳播時間和反沖能量均成正比,。

該測量手段之后又有了更多改進，能夠支持更長的傳播時間,，并可以應(yīng)對更多光子的相互作用,。2011年，巴黎Kastler–Brossel實驗室中開發(fā)出這一改進的研究組用這項技術(shù)以萬億分之660的精確度測量出了α的值[7],。翌年,，他們測量了電子的異常磁矩，并推導(dǎo)出了精度為萬億分之250的α值[8],。2018年,，我在加州大學(xué)伯克利分校的團隊發(fā)表了一篇通過原子干涉測量計算α的論文，結(jié)果與之前的測量值相符,，但精確度[3]提高到了萬億分之200,。

現(xiàn)在，Morel等人將精確度提高到了萬億分之81,。這是標(biāo)準(zhǔn)模型的又一個勝利,，α的測量值和標(biāo)準(zhǔn)模型從異常磁矩中預(yù)測的結(jié)果一致,，并且精度極高。這項結(jié)果證明了,，例如,，電子沒有子結(jié)構(gòu)，確實是基本粒子,。如果電子是由更小的粒子組成,，它的磁矩就會和觀測結(jié)果不一樣。

測量結(jié)果還縮小了某些暗區(qū)粒子的存在范圍,。這是一類可能存在的粒子,，有些可能構(gòu)成了暗物質(zhì)——即宇宙中無法看到的那部分物質(zhì)。在量子場論中,，真空存在大量“虛擬”粒子,，這些粒子會短暫存在然后消失。虛擬的暗區(qū)粒子會讓電子的磁矩發(fā)生微小卻可測量的改變,。

但是,，問題仍然存在。雖然每次測量出的α值和標(biāo)準(zhǔn)模型通過異常磁矩預(yù)測出的值差別很微小,，但Morel等人的測量方法和前兩組的測量方法并不太一致,。正如論文[2]中圖1所表示的，他們這篇文章是因為此前兩組的測量值與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測值不一致,，并且一個大一個小,。

作者提出，此前兩組測量值之間的差別可能是因為散斑——激光強度在空間上的微小變化——或是由于電子信號處理中產(chǎn)生相位差,。但是,，之前的實驗中是否有相位差已經(jīng)無法測量了，而散斑會產(chǎn)生的測量值差異與實際發(fā)生的差異相反,。

Morel等人也沒有解釋他們的結(jié)果與2018年實驗之間的差距,。這兩項實驗的差別在于原子-光子作用中使用的是銣還是銫原子，以及激光制備與準(zhǔn)直的方法,。這些不同的選擇意味著環(huán)境對原子有著不同的影響,。

例如，在兩項實驗中,，最大的數(shù)據(jù)修正來源于激光,。前文所述的散斑和光束的輻照度分布都會影響原子反沖的強度和方向。如果我的團隊對這些效應(yīng)修正過度,，或是Morel團隊修正不足,，就可以解釋結(jié)果之間的差異。最大的可能是,，這需要進一步的實驗結(jié)果來解釋,。

因此，實驗物理學(xué)家正在想辦法闡明該差異的來源,，并再一次挑戰(zhàn)標(biāo)準(zhǔn)模型,。我的團隊正準(zhǔn)備建造一個可以最精確控制激光波形的原子干涉測量儀，以進一步提高α的測量精度,。此外,，對測量原子質(zhì)量的改進也在進行中[5]。最后,，西北大學(xué)正在開發(fā)測量電子異常磁矩的改進方法,。[9]這些改進加在一起，可以讓物理學(xué)家接近萬億分之10的精確度,。在這個精度下就可以通過實驗觀測到τ輕子——電子的一種更重的兄弟,，還可以探索很多尚是假設(shè)的暗區(qū)理論。

參考文獻：

1.Gabrielse, G. Phys. Today 66, 64–65 (2013).

2. Morel, L., Yao, Z., Cladé, P. & Guellati-Khélifa, S. Nature 588, 61–65 (2020).

3.Parker, R. H., Yu, C., Zhong, W., Estey, B. & Müller, H. Science 360, 191–195 (2018).

4. Sturm, S. et al. Nature 506, 467–470 (2014).

5. Myers, E. G. Atoms 7, 37 (2019).

6. Udem, T. Nature Phys. 14, 632 (2018).

7. Bouchendira, R., Cladé, P., Guellati-Khélifa, S., Nez, F. & Biraben, F. Phys. Rev. Lett. 106, 080801 (2011).

8. Aoyama, T., Hayakawa, M., Kinoshita, T. & Nio, M. Phys. Rev. Lett. 109, 111807 (2012).

9. Gabrielse, G., Fayer, S. E., Myers, T. G. & Fan, X. Atoms 7, 45 (2019).