دانشمندان موفق شدند برای اولین بار با استفاده از اشعه ایکس، واکنش های انرژی بین یون های مختلف اورانیوم را نمایش دهند.

مرکز تحقیقات یون سنگین جی.اس.آی هلمهولتز

ابزار طیف سنجی اشعه ایکس می تواند انرژی بین یون های مختلف اورانیوم را به همراه اثرات کوانتومی آنها را به خوبی نمایش دهد. یک تیم بین المللی طیف سنجی پرتو ایکس دقیقی را روی اورانیوم و هلیوم انجام داد. این تصاویر توانست اثرات QED تک‌الکترونی و چند الکترونی را در شرایط میدان بالا تشخیص دهند.

محققان آزمایش های خود را در مرکز تحقیقات یون سنگین GSI هلمهولتز انجام دادند. ادامه این آزمایش ها می تواند نحوه تعامل نور و ماده را برای درک بهتر ما از جهان فیزیکی مشخص کند. با این حال رفتار ذرات میون ها و اتم های پوزیترونیوم با پیش بینی های QED مغایرت هایی داشت. به همین علت، محققان به آزمایش های بیشتری نیاز دارند.

نظریه میدان کوانتومی یا همان QED در مورد برهم کنش ذرات باردار با میدان الکترومغناطیسی است. اما این نظریه تا قبل از این فقط در میدان مغناطیسی های ضعیف و با اتم های سبک تر مورد آزمایش قرار گرفت. بنابراین تست این نظریه بر روی اتم ها و یون های سنگین تر به همین راحتی نیست! یون های سنگین تر میدان های مغناطیسی قوی تری تولید می کنند و به همین علت محاسبات آن با روش های رایج و سنتی مشکل خواهد بود. به عقیده این محققان، روش های محاسباتی که روی اتم های سبک تر انجام می شود، روی یون های سنگین تر دقت لازم را ندارد. این یون ها به مراتب میدان هایی بسیار قوی تر از لیزری ایجاد می کنند و اثرات الکترودینامیک کوانتومی ((QED را تا حد زیادی تقویت می کنند.

آنها تصمیم گرفتند برای بررسی این موضوع، روی میدان های مغناطیسی بزرگتر تمرکز کنند. جایی که نیروی الکترومغناطیسی عظیم هسته بر آن غالب است. در واقع آنها قصد داشتند نظریه الکترودینامیک کوانتومی را در مناطقی که هرگز تا قبل آن آزمایش نشده بود، مورد بررسی قرار دهند. به گفته این تیم، نتایج این مطالعه گامی مهم در درک تعامل پیچیده بین ماده و نور در میدان های مغناطیسی قوی است.

با دقت چشمگیر 37 قسمت در میلیون که در یون‌های شبیه به هلیوم با Z بالا بی‌سابقه است، محققان توانستند اثرات QED مرتبه بالا را بررسی کنند و از این طریق نقطه عطفی در تحقیقات میدانی قوی QED ایجاد کنند. این سطح از دقت، تمایز بین چارچوب‌های نظری مختلف را که در طول سال‌های گذشته توسعه یافته‌اند، تسهیل می‌کند. با مقایسه انرژی‌های انتقالی بین یون‌های مختلف اورانیوم، دانشمندان برای اولین بار با موفقیت نقش تأثیرات QED تک‌الکترونی و چند الکترونی را در میدان های مغناطیسی قوی به خوبی نشان دادند. مقایسه یون‌های اورانیوم با تعداد الکترون‌های دیگر به ما این امکان را می‌دهد که اثرات QED مرتبه بالاتر یک الکترون و شرایط برهم‌کنش الکترون با الکترون دیگر را بدون عدم قطعیت مربوط به شعاع هسته‌ای به‌طور جداگانه آزمایش کنیم. نتیجه می‌تواند بین چندین رویکرد نظری پیشرفته تمایز قائل شود و معیار مهمی در محاسبات میدان های مغناطیسی قوی فراهم می‌کند.