海德堡马克斯·普朗克核物理研究所（MPIK）的科学家使用一种新开发的技术，测量了离子阱中两种高电荷氖同位素的磁性的非常小的差异，其精度以前无法获得。与同样极其精确的理论计算相比，这种差异允许量子电动力学（QED）的记录级测试。结果的一致性是对物理学标准模型的令人印象深刻的确认，允许得出关于原子核性质的结论，并为新物理学和暗物质设定极限。

电子是我们所知道的物质的一些最基本的基石。它们的特点是一些非常独特的性质，例如它们的负电荷和非常特定的固有角动量的存在，也称为自旋。作为自旋带电粒子，每个电子都有一个磁矩，在类似于罗盘针的磁场中对齐。这种磁矩的强度，由所谓的g因子给出，可以通过量子电动力学以非凡的精度预测。该计算与实验测量的g因子一致，在12位以内，这是迄今为止物理学理论和实验最精确的匹配之一。然而，电子的磁矩一旦不再是“自由”粒子，即不受其他影响，而是被束缚在原子核上，例如，就会发生变化。g因子的微小变化可以通过QED计算，QED描述了电子和原子核在光子交换方面的相互作用。高精度测量允许对这一理论进行灵敏的检验。

“通过我们的工作，我们现在已经成功地以前所未有的分辨率调查了这些QED预测，并且部分是第一次，”组长Sven Sturm说。“为了做到这一点，我们研究了两种仅具有单个电子的高电荷氖离子同位素的g因子的差异。这些与氢相似，但核电荷高10倍，增强了QED效应。当核电荷相同时，同位素仅在原子核中的中子数量上有所不同。20内9+和22内9+分别研究了10个和12个中子。

海德堡马克斯普朗克核物理研究所的ALPHATRAP实验提供了一个专门设计的Penning陷阱，用于在近乎完美的真空中将单个离子存储在4特斯拉的强磁场中。测量的目的是确定在磁场中翻转“罗盘针”（自旋）方向所需的能量。为此，需要寻找为此目的所需的微波激励的确切频率。但是，该频率还取决于磁场的确切值。为了确定这一点，研究人员利用了Penning阱中离子的运动，这也取决于磁场。

尽管这里使用的超导磁体具有非常好的时间稳定性，但不可避免的微小磁场波动将先前的测量精度限制在约11位。

新方法的想法是存储要比较的两个离子，20内9+和22内9+同时在同一磁场中以耦合运动。在这样的运动中，两个离子总是在半径仅为200微米的普通圆形路径上相对旋转，“ALPHATRAP实验的博士后Fabian Heiße解释说。

因此，磁场的波动对两种同位素的影响几乎相同，因此对所搜索的能量的差异没有影响。结合测量的磁场，研究人员能够确定两种同位素的g因子的差异，记录精度为13位，与以前的测量相比提高了100倍，因此是全球两种g因子的最准确比较。这里获得的分辨率可以说明如下：如果研究人员以如此精确的精度测量了德国最高的山峰楚格峰，而不是g因子，他们将能够通过山峰的高度识别山顶上的单个其他原子。

理论计算在Christoph Keitel在MPIK的部门以类似的精度进行。“与新的实验值相比，我们证实电子确实通过光子交换与原子核相互作用，正如QED所预测的那样，”组长Zoltán Harman解释说。现在已经通过对两种氖同位素的差异测量解决了这个问题，并首次成功进行了测试。或者，假设QED结果是已知的，该研究允许比以前更精确地确定同位素的核半径10倍。

“相反，理论和实验结果之间的一致性使我们能够将新物理学限制在已知标准模型之外，例如离子与暗物质相互作用的强度，”博士后Vincent Debierre说。

“在未来，这里介绍的方法可以允许许多新颖和令人兴奋的实验，例如物质和反物质的直接比较或基本常数的超精确测定，”第一作者Tim Sailer博士说。

更多信息：Tim Sailer等人，耦合离子中结合电子g因子差异的测量，Nature（2022）。DOI： 10.1038/s41586-022-04807-w

期刊信息：《自然》