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Jul 25, 2023

3He+ 자기 모멘트의 직접 측정

자연 606권, 페이지

Nature 606권, 878~883페이지(2022)이 기사 인용

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3 인용

83 알트메트릭

측정항목 세부정보

헬륨-3은 오늘날 기초 물리학1,2,3, 핵 및 원자 구조4,5, 자기 측정법 및 계측학6, 화학 및 의학7,8 연구에 가장 중요한 후보 중 하나가 되었습니다. 특히, 3He 핵자기공명(NMR) 프로브는 절대 자기측정법6,9의 새로운 표준으로 제안되었습니다. 이를 위해서는 3He 핵자기 모멘트에 대한 고정밀 값이 필요하지만 지금까지 간접적으로만 결정되었으며 10억당 12개의 상대적 정밀도로 결정되었습니다10,11. 여기에서는 3He+의 핵 g-인자 \({g}_{I}^{{\prime} }=-\,4.2550996069(30{)}를 직접 측정하기 위해 페닝 트랩에서 3He+ 바닥 상태 초미세 구조를 조사합니다. _{{\rm{stat}}}(17{)}_{{\rm{sys}}}\), 제로 필드 초미세 분할 \({E}_{{\rm{HFS}}}^ {\exp }=-\,8,\,665,\,649,\,865.77{(26)}_{{\rm{stat}}}{(1)}_{{\rm{sys}} }\)Hz 및 속박된 전자 g-인자 \({g}_{e}^{{\rm{\exp }}}=-\,2.00217741579(34{)}_{{\rm{stat}} }(30{)}_{{\rm{sys}}}\). 후자는 참조의 매개변수 및 기본 상수를 기반으로 하는 이론 값 \({g}_{e}^{{\rm{theo}}}=-\,2.00217741625223(39)\)과 일치합니다. 12. 3He+ 핵 g-인자에 대한 측정값을 사용하면 순수 핵의 g-인자를 결정할 수 있습니다 \({g}_{I}=-\,4.2552506997(30{)}_{{\rm{stat} }}(17{)}_{{\rm{sys}}}(1{)}_{{\rm{theo}}}\) 반자기 차폐 상수의 정확한 계산을 통해13 \({\sigma }_ {{}^{3}{\mathrm{그}}^{+}}=0.00003550738(3)\). 이는 3He NMR 프로브에 대한 직접 보정을 구성하고 이전 간접 결과에 비해 정밀도를 한 자릿수 향상시킵니다. 측정된 제로 필드 초미세 분할은 이전의 가장 정확한 값14에 비해 정밀도를 2배 정도 향상시키고 Zemach 반경15을 \({r}_{Z}=2.608(24)\)fm으로 결정할 수 있게 해줍니다.

단순한 물리적 시스템의 기본 속성을 정확하고 정확하게 측정하면 자연에 대한 이해를 테스트하고 입자 물리학(SM)의 표준 모델을 넘어서는 물리학의 검색 또는 제약 조건을 테스트할 수 있습니다. 예를 들어, 3He+의 2s 상태의 초미세 분할 측정(참조 16)은 낮은 원자 번호 Z에서 경계 상태 양자 전기 역학 이론(QED)17의 가장 민감한 테스트 중 하나를 제공합니다. 향상된 정밀도는 필연적으로 실험 오류와 결과의 잘못된 해석을 배제하기 위해 정확한 설명과 체계적인 효과에 대한 더 나은 이해를 요구합니다. 대표적인 예는 경이온 질량 퍼즐의 맥락에서 재검토 대상이 되는 경이온 질량의 불일치입니다2. 더욱이, 209Bi82+,80+의 초미세 구조 측정과 SM 예측 사이의 불일치는 209Bi의 핵 자기 모멘트를 결정하기 위해 NMR 측정을 반복함으로써 해결될 수 있습니다(참조 18,19). 여기서 우리는 NMR과 관련된 또 다른 동위원소인 3He의 기본 특성을 연구합니다. 우리는 3He NMR 프로브의 최초의 직접적이고 독립적인 교정을 구성하므로 절대 자기 측정에 가장 중요한 핵 자기 모멘트의 직접적인 결정에 대해 보고합니다.

NMR 프로브는 초전도 양자 간섭 장치나 거대 자기저항 센서와 달리 절대 자기장을 높은 정밀도로 측정할 수 있으며, 특히 3He 프로브는 표준 수중 NMR 프로브보다 더 높은 정확도를 제공합니다6. 희가스의 특성으로 인해 불순물, 프로브 모양, 온도 및 압력에 대한 의존도와 같은 체계적인 효과로 인해 실질적으로 더 작은 수정이 필요합니다9. 더욱이 주변 전자에 의한 핵자기 모멘트의 반자기 차폐(σ)는 물 샘플보다 3He에 대해 더 정확하게 알려져 있으며, 이러한 기여는 측정을 통해서만 접근할 수 있습니다. 원자 3He의 경우, \(1-{\sigma }_{{}^{3}{\rm{H}}{\rm{e}}}\) 인자는 두 개의 전자는 이론적으로 10-10의 상대 정밀도(참조 20)로 계산되었으며, 여기서 불확실성은 무시된 QED 보정에 의해 제공됩니다. 따라서 3He 프로브는 Fermilab 및 J-PARC21,22의 muon g - 2 실험과 같은 정밀 실험의 계측 및 현장 교정에서 매우 다양한 분야에 적용됩니다. 그러나 지금까지 3He 핵자기 모멘트의 유일한 측정은 3He의 NMR 주파수와 물 또는 분자 수소의 NMR 주파수 비교를 기반으로 이루어졌으며10,11,23 12ppb(ppb)로 제한되었습니다. ) 물 속의 양성자의 차폐 인자가 불확실하기 때문입니다.