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国际前沿周报第18期

3412    2023-04-11    发布者:中国测试杂志社    来源:中国测试杂志社

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本期导读:

1、英国国家物理实验室计量学负责人Richard Brown谈国际单位制前缀的扩展

2、用电子磁矩寻找新物理学


英国国家物理实验室计量学负责人Richard Brown谈国际单位制前缀的扩展

国际单位制(SI)是目前唯一世界公认的计量单位,其研究、管理和发展是国家计量研究所的使命所在。

在SI中,有三个支柱:SI基本单位,SI导出单位和SI前缀。前缀不仅贯穿我们日常的质量和度量单位,如千克、厘米和毫升,而且还被用于非技术术语中,如纳米技术(nanotechnology)、微型滑板车(micro-scooter)和超级工厂(Gigafactory)等。

SI前缀是区分十进制度量系统和非十进制系统的关键因素之一。当测量值变得非常大或非常小时,SI仍然使用相同的单位,只是添加十进制前缀:1千米(km)=1,000米(m)=1,000,000毫米(mm)。另一方面,非十进制系统为了解决测量大小的变化而发明了新的单位名称:1英里(mile)=1,760码(yards)=5,280英尺(feet)=63,360英寸(inches)。

为了满足与测量值有关的数量级的增加,随着科学和技术的进步,我们的SI前缀系统在多年来不断扩展。上一次这样的扩展是在31年前的1991年10月,也是我有生以来唯一的一次,当时我并不知道我会深度参与下一次SI前缀的更新。1991年的变化将范围增加到1024(尧yotta,Y)至10-24(幺yocto,y),主要是为了满足化学中以SI单位表达分子量的需求。自1879年米制公约(Metre Convention)签署并于四年后采用前缀以来,过去31年是最长的前缀范围扩展间隔。当时只覆盖了从1000到1/1000的范围:千kilo到毫milli。

随着全球数据领域的增长速度不断加快,快速接近1 yottabyte(尧字节),对于单位前缀的更大需求也开始从猜测变成现实。我第一次接触到这个问题是在2017年,当时我在收听BBC的《More or Less》节目时得知,非官方的“1027字节”的名称开始流行起来,有可能成为实际采用的名称。这些名称包括brontobyte(词语来自“雷龙”“brontosaurus”)和hellabyte(词语来自“非常大的数字”“hell of a big number”)。这些名称不仅与米制公约的传统命名前缀相比缺乏系统性,而且还会引起混淆,因为“B”和“H”已经被用作其他知名单位的符号。

国际计量单位制(SI)必须采取行动,因此我开始为SI前缀范围的扩展提出新的名称和符号,并通过相关计量委员会推动这一过程。分析发现,英文字母中仅剩下“q”和“r”几乎未被使用,单位前缀的命名规则基本上是根据1000的相应幂次数字的拉丁语和希腊语而定,此次扩展的是9次幂以及10次幂;再加上前缀倍数应以“a”结尾,约数应以“o”结尾的要求,我提出了以下建议:

这项提案历经了四年以上的时间,才通过计量委员会审议。首先是单位咨询委员会策略工作组,然后是单位咨询委员会,最后是国际计量委员会。最终,这项提案在2022年11月15日至18日在凡尔赛举行的第27届国际计量大会上作为第3项决议获得批准。

因此,国际计量单位制(SI)增加了四个新的SI前缀,覆盖了一个更广泛的范围,从而包括了:

1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000至0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 001

期待在未来某天可以听到“ronnabytes”和“quettabytes”这两个词。


来源:英国国家物理实验室NPL


用电子磁矩寻找新物理学

电子磁矩的测量已经达到前所未有的高精确度,在寻找超出标准模型的物理学方面展示出巨大潜力。

尽管粒子物理的标准模型取得了显著的成功,但显然它还不是完整的,暗物质、暗能量和宇宙中物质-反物质的不对称性是其最明显的缺陷之一。因此,实验人员急切地寻找异常现象,这些异常现象为一个可以完成或取代标准模型的理论提供线索。电子是这一探索的关键:它的磁矩既是迄今为止最能精确测量的基本粒子属性,也是迄今为止最能准确验证的标准模型预测。伊利诺伊州西北大学Gerald Gabrielse团队的最新测量显示,电子磁矩的数值,比之前在2008年获得的最佳估计值精确了2.2倍。这一结果为未来几年更大的精度改进铺平了道路,为使用这些测量来搜索标准模型之外的物理提供了令人期待的前景。

根据物理学家的格言,“新物理学从下一个精度数字开始”,电子磁矩的历史为此提供了很好的例证。在实验表明电子有自旋后,Paul Dirac用他著名的相对论方程对电子自旋进行了验证。他预测,电子g因子——一个将粒子磁矩与其角动量联系起来的无量纲量——应该是2。但在1947年,物理学家Polykarp Kusch和Henry Foley的高精度实验表明,g略大于2。物理学家Julian Schwinger解释了这种“反常”磁矩,他表明,通过在g计算中加入量子力学校正,可以获得略大于2的值。Schwinger的计算为量子电动力学理论(QED)奠定了基础。从那以后,电子的磁矩在QED和标准模型的测试中发挥了关键作用。

图1:在磁场(B)中旋转的电子的磁矩的测量可以用于测试标准模型。实验值和标准模型预测之间的差异可能会揭示模型中粒子或相互作用的缺失部分。图像背景代表了费曼图的一个子集,理论家们用它来计算电子的g因子,该因子将粒子的磁矩与其角动量相关联。

但是,如何利用基本粒子的磁矩来测试标准模型呢?答案与这样一个事实有关,即根据量子物理学,真空中充满了突然出现和消失的虚拟粒子,这些粒子可以与给定的粒子(如电子或μ介子)相互作用,改变其对磁场的响应,从而影响其磁矩和g因子。学者可以通过考虑与标准模型预测的基本粒子的相互作用来计算粒子g因子的预期值。实验值与预测的任何偏差都可能揭示出模型中粒子或相互作用的缺失部分(图1)。对于电子来说,与预测的偏差甚至可能意味着电子不是基本粒子,而是有内部结构的。

目前,该领域最引人注目的谜团是理论和实验对μ介子磁矩的持续不匹配,这种差异现已达到4.2σ的统计误差。如果这种失配是新物理学的标志,那么也应该在电子上观察到。考虑到电子质量轻207倍,对电子的影响将比对μ介子的影响小约40000倍。Gabrielse团队的新测量结果使电子磁矩的相对精度达到万亿分之0.13(ppt),比μ介子的相对精度小3000多倍。所获得的数值结果与2008年由Gabrielse领导的团队在哈佛大学进行的实验一致,该实验的精度为万亿分之0.28ppt。

高精度磁矩测量的关键点在于通过测量两个频率的比值来获得磁矩。电子的磁矩与其自旋和g因子成正比。在恒定磁场中,g与2(也称g-2)的偏差由va/vc给出,其中vc是回旋加速器频率(电子绕场旋转的频率),va=vc−vs(其中vs是电子自旋频率)。这种方法的一个优点是,va和vc都是与磁场成比例的第一近似值,因此场依赖性抵消(假设场在测量时间内是稳定的)。这种抵消使得实验对缓慢的场漂移不那么敏感。此外,由于va和vc仅相差1/103,因此在两个频率的测量上,1/1010的精度导致它们的比率的精度为1/1013,从而影响g的精度。

西北大学的实验装置是2008年哈佛大学实验中使用的装置的迭代更新,这是一项独特的工程壮举。在该方案中,单个电子在恒定的5-T磁场下被保持在所谓的Penning陷阱中,并被冷却到电子的回旋运动被量化的温度,电子最初处于基态。接下来,通过观察电子在最低能级之间的“量子跳跃”来确定va和vc。通过一个特殊的技巧,即添加一个小的磁场梯度,该设置使研究人员能够进行量子非破坏性检测(QND),这是一种在不影响电子量子态的情况下检测量子跳跃的测量,是降低测量不确定性的关键。

所实现的测量精度源于几个主要的技术改进。首先,该实验通过巧妙的悬浮和冷却方案提高了磁场的稳定性和均匀性。其次,捕获腔的新设计允许精确控制电子的轴向运动,并强烈抑制电子量子能级之间的自发发射跃迁,这将加宽跃迁线形状,从而降低频率确定的精度。最后,研究人员减少了由于回旋加速器运动和捕获腔谐振模式的耦合导致的回旋频率漂移所引起的系统偏差。通过表征72种起作用的频率和“质量因子”,研究人员可以解释这种变化。

西北大学团队的成果是基础物理学的一项巨大成就,能够对QED进行前所未有的精确测试,并证实电子是一种基本粒子。由于预测精度取决于精细结构常数α的值,目前阻碍了使用测量来测试电子g-2的标准模型预测的能力α。不幸的是,加州大学伯克利分校的团队和法国巴黎第六大学团队对α的两次最精确测量之间存在5.5-σ的差异。两个团队都计划开展新的测量活动以解决这个差异。最后,新的装置有巨大的进一步改进的空间。在不久的将来,可以合理地预期,电子g-2测量将达到与新物理相当的灵敏度,与μ介子g-2测量相当,后者揭示了令人好奇的4.2-σ 与标准模型的张力。所有这些发展都表明,电子已经全力准备好,打开一扇新物理的窗户。


来源:法国巴黎索邦大学Kastler Brossel实验室



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