《Nature》:1/137.035999206，这个将相对论，量子力学和电磁学联系起来的物理常数更加精确了学术资讯

来源：材料科学前沿

精细结构常数α，是物理学中一个重要的无量纲数，本质涉及光速（相对论）、普朗克常数（量子理论）和一个电子所携带的电荷量（电磁学）。该常数描述了粒子物理学标准模型中基本粒子之间的电磁力强度，对于物理学的基础至关重要。例如，氢原子的结合能（即分离原子中电子和质子所需的能量）大约是与电子质量相关能量的α2 /2倍。此外，电子的磁矩比点状带电粒子的期望磁矩大一些，约1+α/（2π）因子。磁矩的这种反常现象已被验证得越来越精确，成为“标准模型的最大胜利”。

α的测量包括三个步骤。首先，激光束使原子吸收并发射多个光子，并在此过程中反冲（图1a）。并通过测量该反冲的动能推算出原子的质量。然后，通过已知的原子与电子的质量比计算出电子质量（图1b）。最后，由电子的质量和从光谱中得出的氢原子结合能来确定α（图1c）。

精细结构常数α的测量

然而，这个反冲过程的能量太小了，很难测量。因此，物理学家采用了一种基于激光的原子冷却技术进行原子干涉测量（一种使用与原子相关的物质波干涉的测量技术）。在原子干涉仪中，原子有50％的概率与来自激光脉冲的光子相互作用。因此，这些原子同时以两个量子态存在：一为静止状态，一为吸收了光子动量的运动状态。

这种情况等效于产生两个相互远离的部分物质波。通过发射更多的激光脉冲，这些物质波会重新组合，产生相长干涉或相消干涉（从而使波彼此增强或抵消）。因此，观察到原子的概率会更高或是更低。干涉波之间的相移（一个波相对于另一个波的位移）与它们的传播时间和反冲能量成正比。

对这种方法的后续改进实现了更长的传播时间以及与许多光子的相互作用。2011年，巴黎Kastler-Brossel实验室的研究人员使用该技术，测定了具有660 p.p.t（万亿分之一）的精度的α值。第二年，科学家对电子的反常磁矩（anomalous magnetic moment）进行了测量。推导出一个预测α值的标准模型，其精确度为250 p.p.t。2018年，加州大学伯克利分校的Holger Müller团队发布了原子干涉法确定的α值，与上一个发表的α值相符，但将准确度提高到了200 p.p.t。

近日，法国索邦大学的Saïda Guellati-Khélifa课题组采用物质波干涉测量法，测量了一个一个铷原子吸收了一个光子后的反冲速度，并计算出精细结构常数α值约为1/137.035999206，将精度提高到了81 p.p.t。这是目前在标准模型中最精确的预测，极大的减少了不确定性。该测量结果与标准模型从反常磁矩中得出的预测一致。从而证实了电子没有任何的子结构，是一个基本粒子（如果电子由较小的粒子组成，其磁矩将与观察到的结果相反）。此外，该测量还对候选的暗物质粒子的条件限制进行了修正。暗物质粒子是一种推测性粒子，它可能组成了宇宙中的一种不可见的物质——暗物质。在量子场论中，真空（完全空的空间）是虚粒子（virtual particles）的海洋，这些虚粒子短暂存在。虚暗物质粒子会以微妙但可测量的方式改变电子的磁矩。该研究以题为“Determination of the fine-structure constant with an accuracy of 81 parts per trillion”的论文发表在最新一期的《Nature》上。

然而，根据反常磁矩的标准模型预测值和实验测量值之间的差异较小，而Saïda Guellati-Khélifa等人的最新测量结果与前两个测量结果之间的差异较大（如图）。最新的测量结果与之前的结果成反向偏离（相对于标准模型预测）。

精细结构常数α的精确测量历程

作者认为，研究小组自己的测量值之间的差异可能是由于斑点（激光强度的小范围空间变化）或电子信号处理中产生的相移引起的。然而，现在已经不可能在小组早期的实验中对这样的变化进行评估了，斑点应该会在测量值之间产生与所需方向相反的变化来解释这种差异。此外，实验中原子种类的不同（铷原子和铯原子），原子-光相互作用的类型以及激光束准备与对准之间的差异。这些都会导致测量结果的差异。

目前，实验人员正在探索差异的根源，并准备再次挑战标准模型。例如，加州大学伯克利分校的Holger Müller团队正在构建一种能够对激光束形状进行控制的原子干涉仪，来进一步提高α测量值的精度。美国西北大学的电子反常磁矩的精确测定也正在进行中。总之，这些改进将使物理学家达到10 p.p.t的精确度。届时,我们就能够实际观察到陶子（tau lepto，一种较重的电子）的作用，并且可以探索许多目前仍处于假设阶段的有关于暗物质的理论。