巴黎卡斯特勒-布羅塞爾實驗室的研究人員對一個基本常數（稱為精細結構常數）進行了最精確的測量，為物理學家提供了一個重要的工具來驗證他們最珍視的理論模型的 consistency。
精細結構常數決定了電磁力的強度，並且在解釋包括光和帶電基本粒子（如電子）之間的相互作用在內的許多現象中起著核心作用。它是標準模型方程的重要組成部分，標準模型是一種預測和描述除引力以外的所有已知基本力的理論——即電磁力以及弱核力和強核力。巴黎的團隊測得的精細結構常數值為 1/137.035999206，精度達到 11 位數字。該結果發表在Nature雜誌上的一篇研究中。
“我對所達到的精度水平感到驚訝，”義大利國家核物理研究所的 Massimo Passera 說，他沒有參與這項實驗。
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在標準模型方程中使用精細結構常數，可以計算電子的磁矩，這是帶負電粒子在磁場影響下表現出的屬性。電子的磁矩是檢驗標準模型的絕佳候選者，因為它已經在實驗室中被反覆測量，並且在理論上被預測到非常高的精度。
“隨著精細結構常數的新測定，這些預測值和實驗值在十億分之一的水平上更好地吻合，從而為粒子物理學的標準模型（特別是其電磁部門）提供了出色的 consistency 檢驗，”Passera 說。“此外，這兩個值的接近性為電子可能的內部結構設定了嚴格的限制。”
這項新測量使用銣原子以一種稱為原子干涉法的技術進行，其精度比之前的記錄保持者高出三倍，之前的記錄保持者是加州大學伯克利分校的一個團隊在使用銫原子的實驗中實現的。
Nature論文的合著者 Pierre Cladé 表示，改進是“持續小步工作”的結果。他說，除了裝置的主要升級和新的雷射源外，該團隊的成功還來自減少噪聲和系統效應的努力。“我們進行了大量建模，以深入瞭解我們實驗的物理原理。三年前，我們更好地理解了光子和銣原子之間的相互作用。” 這種增強的理解使該團隊能夠確定更精確的銣原子質量值。
“一旦測量出銣原子的質量，我們就將其與電子的相對質量一起使用來計算精細結構常數。銣原子的質量越精確，精細結構常數的值就越準確，”該論文的第一作者 Saïda Guellati-Khelifa 說。
該實驗採用了多種標準方法來達到其驚人的精度，首先是對一團銣原子進行雷射冷卻。六束雷射束以某種方式對原子施力，從而大大降低原子的速度。由於這種原子動能運動是宏觀尺度熱現象的基礎，因此降低銣原子速度的最終結果是將它們的溫度降低到令人難以置信的寒冷程度，即 4 微開爾文——略高於絕對零度，或 -273.15 攝氏度。“在這樣的溫度下，原子表現得像粒子和波，”Cladé 說。
原子的這種波動行為與我們更熟悉的水波截然不同。在這種情況下，所討論的波涉及在特定位置找到銣原子的機率。使用雷射，該團隊將原子製備在基態和激發態（在後者中，原子以稍快的速度移動）。“這產生了兩個分離的軌跡，然後重新組合以產生干涉圖案，”Cladé 說。“干涉取決於原子從雷射源吸收光子後獲得的速度。一旦從干涉中測量出這種反衝速度，就可以推匯出銣原子質量。”
作為第一步，該團隊於 2018 年 12 月開始了為期近一年的實驗執行，收集資料以確保他們的裝置正常工作。
“在進行此類實驗時，存在不同的物理過程，這些過程是正在測量的內容的基礎。每個過程都可能透過引入誤差來影響測量的精度。我們需要理解和評估誤差，以便進行校正，”Guellati-Khelifa 說，她已經進行了 20 多年的精細結構常數測量。
在進行校正後，該團隊在一個月的執行期間得出了最終測量結果，最終將精細結構常數的值確定為萬億分之 81 的精度。
Passera 認為，尋找基本常數精確值的努力是對基於粒子加速器的實驗的補充，後者利用巨大的能量來創造新的、前所未見的粒子。
“卡斯特勒-布羅塞爾或伯克利實驗室的‘桌面’實驗是在非常低的能量下完成的。然而，它們極其精確的測量可以間接揭示可能尚未在高能量下直接看到的粒子的存在甚至性質。即使是精確測量的最後幾位數字也有故事可講，”Passera 說。
例如，考慮一下μ子——一種比電子重兩百倍的電子的表親。與電子一樣，μ子在受到磁場作用時也會表現出磁矩。此外，與電子類似，μ子的磁矩的理論值和實驗值之間也存在差異。
這種情況下的差異以標準偏差來確定，標準偏差是兩個值的差異以及與每個值的理論計算和實驗測量相關的uncertainties 的組合。
就電子而言，磁矩的實驗測量值比巴黎小組測量的精細結構常數所做的理論預測高出 1.6 個標準偏差。而μ子的實驗值（在 2002 年至 2006 年間發表的三篇論文中公佈和 refined）比標準模型理論預測的數值高出 3.7 個標準偏差。
物理學家現在正熱切期待費米實驗室的“Muon g-2”實驗的首批結果，預計該實驗將提供μ子磁矩的最精確實驗測量。如果該值超出理論值五個標準偏差——粒子物理學發現的黃金標準——那將是超越標準模型的新物理學的有力證據。
一般來說，當談到使用標準模型對磁矩進行理論預測時，μ子差異對精細結構常數精確值的敏感度不如電子。然而，負責 Muon g-2 實驗的運營並領導分析工作的 Alex Keshavarzi 表示，“新的精細結構常數測量對μ子差異很有趣。”
Keshavarzi 不是巴黎研究小組的成員，他說，如果新物理學從 Muon g-2 的μ子測量結果中出現，那麼電子和μ子的正差異將使開發模型和解釋比差異方向相反的情況更簡單。
然而，他補充說，即使撇開其與μ子的潛在聯絡不談，巴黎小組基於電子的精細結構實驗測量也引入了其他謎團——即，為什麼它產生了 1.6 的正標準偏差，而 2018 年伯克利的實驗產生了 2.5 的負偏差。
Cladé 認為，巴黎和伯克利的實驗都基於相同的物理原理，這使得這種分歧更加奇怪。“我不認為這種差異是由於使用了銫或銣。可能在其中一個實驗中存在一些尚未考慮到的東西。這是我們現在應該嘗試理解的事情，”他說。