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Jul 25, 2023

Misura diretta dei momenti magnetici 3He+

Nature volume 606, pages

Natura volume 606, pagine 878–883 (2022)Citare questo articolo

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L'elio-3 è oggi diventato uno dei candidati più importanti per gli studi di fisica fondamentale1,2,3, struttura nucleare e atomica4,5, magnetometria e metrologia6, nonché chimica e medicina7,8. In particolare, le sonde per risonanza magnetica nucleare (NMR) 3He sono state proposte come nuovo standard per la magnetometria assoluta6,9. Ciò richiede un valore di alta precisione per il momento magnetico nucleare 3He, che, tuttavia, finora è stato determinato solo indirettamente e con una precisione relativa di 12 parti per miliardo10,11. Qui indaghiamo la struttura iperfine dello stato fondamentale dell'3He+ in una trappola di Penning per misurare direttamente il fattore g nucleare dell'3He+ \({g}_{I}^{{\prime} }=-\,4.2550996069(30{)} _{{\rm{stat}}}(17{)}_{{\rm{sys}}}\), la suddivisione iperfine a campo zero \({E}_{{\rm{HFS}}}^ {\exp }=-\,8,\,665,\,649,\,865.77{(26)}_{{\rm{stat}}}{(1)}_{{\rm{sys}} }\) Hz e il fattore g dell'elettrone legato \({g}_{e}^{{\rm{\exp }}}=-\,2.00217741579(34{)}_{{\rm{stat}} }(30{)}_{{\rm{sys}}}\). Quest'ultimo è coerente con il nostro valore teorico \({g}_{e}^{{\rm{theo}}}=-\,2.00217741625223(39)\) basato su parametri e costanti fondamentali del rif. 12. Il nostro valore misurato per il fattore g nucleare 3He+ consente la determinazione del fattore g del nucleo nudo \({g}_{I}=-\,4.2552506997(30{)}_{{\rm{stat} }}(17{)}_{{\rm{sys}}}(1{)}_{{\rm{theo}}}\) attraverso il nostro accurato calcolo della costante di schermatura diamagnetica13 \({\sigma }_ {{}^{3}{\mathrm{Lui}}^{+}}=0.00003550738(3)\). Ciò costituisce una calibrazione diretta per le sonde NMR 3He e un miglioramento della precisione di un ordine di grandezza rispetto ai precedenti risultati indiretti. La suddivisione iperfine misurata a campo zero migliora la precisione di due ordini di grandezza rispetto al valore più preciso precedente14 e ci consente di determinare il raggio di Zemach15 a \({r}_{Z}=2.608(24)\) fm.

Misurazioni precise e accurate delle proprietà fondamentali di sistemi fisici semplici consentono di testare la nostra comprensione della natura e la ricerca o i vincoli della fisica oltre il Modello Standard della fisica delle particelle (SM). Ad esempio, la misurazione della suddivisione iperfine dello stato 2s di 3He+ (rif. 16) fornisce uno dei test più sensibili della teoria dell'elettrodinamica quantistica a stati legati (QED)17 a basso numero atomico, Z. Tuttavia, le misurazioni a una maggiore precisione richiede inevitabilmente una descrizione accurata e una migliore comprensione degli effetti sistematici, per escludere errori sperimentali e interpretazioni errate dei risultati. Esempi importanti sono le incoerenze nelle masse degli ioni leggeri, che sono soggette a riesame nel contesto del puzzle della massa degli ioni leggeri2. Inoltre, una discrepanza tra le misurazioni della struttura iperfine di 209Bi82+,80+ e le previsioni dell'SM potrebbe essere risolta ripetendo le misurazioni NMR per determinare il momento magnetico nucleare di 209Bi (rif. 18,19). Qui studiamo le proprietà fondamentali di un altro isotopo rilevante per NMR, 3He. Riportiamo la determinazione diretta del suo momento magnetico nucleare, che è della massima importanza per la magnetometria assoluta in quanto costituisce la prima calibrazione diretta e indipendente delle sonde NMR 3He.

Le sonde NMR, a differenza dei dispositivi superconduttori di interferenza quantistica o dei sensori di magnetoresistenza giganti, consentono misurazioni del campo magnetico assoluto con elevata precisione e le sonde 3He, in particolare, offrono una precisione maggiore rispetto alle sonde NMR standard per l'acqua6. A causa delle proprietà dei gas nobili, essi richiedono correzioni sostanzialmente minori a causa di effetti sistematici, come la dipendenza dalle impurità, dalla forma della sonda, dalla temperatura e dalla pressione9. Inoltre, la schermatura diamagnetica, σ, del momento magnetico nucleare nudo da parte degli elettroni circostanti è nota più precisamente per 3He che per campioni di acqua, per i quali questi contributi sono accessibili solo mediante misurazione. Nel caso dell'He 3 atomico, il fattore \(1-{\sigma }_{{}^{3}{\rm{H}}{\rm{e}}}\), che corregge la schermatura da parte due elettroni, è stato calcolato teoricamente con una precisione relativa di 10−10 (rif. 20), dove l'incertezza è data dalle correzioni QED trascurate. Pertanto, le sonde 3He hanno un'ampia varietà di applicazioni altamente attuali in metrologia e calibrazione sul campo in esperimenti di precisione, come gli esperimenti sul muone g − 2 al Fermilab e J-PARC21,22. Finora, tuttavia, le uniche misurazioni del momento magnetico nucleare dell'3He sono state effettuate sulla base del confronto della frequenza NMR dell'3He con quella dell'acqua o dell'idrogeno molecolare10,11,23 e sono limitate a 12 parti per miliardo (ppb ) a causa dell'incertezza del fattore di schermatura dei protoni nell'acqua.