巴黎卡斯特勒-布罗塞尔实验室的研究人员对一个基本常数（称为精细结构常数）进行了最精确的测量，为物理学家提供了一个重要的工具来验证他们最珍视的理论模型的 consistency。
精细结构常数决定了电磁力的强度，并且在解释包括光和带电基本粒子（如电子）之间的相互作用在内的许多现象中起着核心作用。它是标准模型方程的重要组成部分，标准模型是一种预测和描述除引力以外的所有已知基本力的理论——即电磁力以及弱核力和强核力。巴黎的团队测得的精细结构常数值为 1/137.035999206，精度达到 11 位数字。该结果发表在Nature杂志上的一篇研究中。
“我对所达到的精度水平感到惊讶，”意大利国家核物理研究所的 Massimo Passera 说，他没有参与这项实验。
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在标准模型方程中使用精细结构常数，可以计算电子的磁矩，这是带负电粒子在磁场影响下表现出的属性。电子的磁矩是检验标准模型的绝佳候选者，因为它已经在实验室中被反复测量，并且在理论上被预测到非常高的精度。
“随着精细结构常数的新测定，这些预测值和实验值在十亿分之一的水平上更好地吻合，从而为粒子物理学的标准模型（特别是其电磁部门）提供了出色的 consistency 检验，”Passera 说。“此外，这两个值的接近性为电子可能的内部结构设置了严格的限制。”
这项新测量使用铷原子以一种称为原子干涉法的技术进行，其精度比之前的记录保持者高出三倍，之前的记录保持者是加州大学伯克利分校的一个团队在使用铯原子的实验中实现的。
Nature论文的合著者 Pierre Cladé 表示，改进是“持续小步工作”的结果。他说，除了设备的主要升级和新的激光源外，该团队的成功还来自减少噪声和系统效应的努力。“我们进行了大量建模，以深入了解我们实验的物理原理。三年前，我们更好地理解了光子和铷原子之间的相互作用。” 这种增强的理解使该团队能够确定更精确的铷原子质量值。
“一旦测量出铷原子的质量，我们就将其与电子的相对质量一起使用来计算精细结构常数。铷原子的质量越精确，精细结构常数的值就越准确，”该论文的第一作者 Saïda Guellati-Khelifa 说。
该实验采用了多种标准方法来达到其惊人的精度，首先是对一团铷原子进行激光冷却。六束激光束以某种方式对原子施力，从而大大降低原子的速度。由于这种原子动能运动是宏观尺度热现象的基础，因此降低铷原子速度的最终结果是将它们的温度降低到令人难以置信的寒冷程度，即 4 微开尔文——略高于绝对零度，或 -273.15 摄氏度。“在这样的温度下，原子表现得像粒子和波，”Cladé 说。
原子的这种波动行为与我们更熟悉的水波截然不同。在这种情况下，所讨论的波涉及在特定位置找到铷原子的概率。使用激光，该团队将原子制备在基态和激发态（在后者中，原子以稍快的速度移动）。“这产生了两个分离的轨迹，然后重新组合以产生干涉图案，”Cladé 说。“干涉取决于原子从激光源吸收光子后获得的速度。一旦从干涉中测量出这种反冲速度，就可以推导出铷原子质量。”
作为第一步，该团队于 2018 年 12 月开始了为期近一年的实验运行，收集数据以确保他们的设备正常工作。
“在进行此类实验时，存在不同的物理过程，这些过程是正在测量的内容的基础。每个过程都可能通过引入误差来影响测量的精度。我们需要理解和评估误差，以便进行校正，”Guellati-Khelifa 说，她已经进行了 20 多年的精细结构常数测量。
在进行校正后，该团队在一个月的运行期间得出了最终测量结果，最终将精细结构常数的值确定为万亿分之 81 的精度。
Passera 认为，寻找基本常数精确值的努力是对基于粒子加速器的实验的补充，后者利用巨大的能量来创造新的、前所未见的粒子。
“卡斯特勒-布罗塞尔或伯克利实验室的‘桌面’实验是在非常低的能量下完成的。然而，它们极其精确的测量可以间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质。即使是精确测量的最后几位数字也有故事可讲，”Passera 说。
例如，考虑一下μ子——一种比电子重两百倍的电子的表亲。与电子一样，μ子在受到磁场作用时也会表现出磁矩。此外，与电子类似，μ子的磁矩的理论值和实验值之间也存在差异。
这种情况下的差异以标准偏差来确定，标准偏差是两个值的差异以及与每个值的理论计算和实验测量相关的uncertainties 的组合。
就电子而言，磁矩的实验测量值比巴黎小组测量的精细结构常数所做的理论预测高出 1.6 个标准偏差。而μ子的实验值（在 2002 年至 2006 年间发表的三篇论文中公布和 refined）比标准模型理论预测的数值高出 3.7 个标准偏差。
物理学家现在正热切期待费米实验室的“Muon g-2”实验的首批结果，预计该实验将提供μ子磁矩的最精确实验测量。如果该值超出理论值五个标准偏差——粒子物理学发现的黄金标准——那将是超越标准模型的新物理学的有力证据。
一般来说，当谈到使用标准模型对磁矩进行理论预测时，μ子差异对精细结构常数精确值的敏感度不如电子。然而，负责 Muon g-2 实验的运营并领导分析工作的 Alex Keshavarzi 表示，“新的精细结构常数测量对μ子差异很有趣。”
Keshavarzi 不是巴黎研究小组的成员，他说，如果新物理学从 Muon g-2 的μ子测量结果中出现，那么电子和μ子的正差异将使开发模型和解释比差异方向相反的情况更简单。
然而，他补充说，即使撇开其与μ子的潜在联系不谈，巴黎小组基于电子的精细结构实验测量也引入了其他谜团——即，为什么它产生了 1.6 的正标准偏差，而 2018 年伯克利的实验产生了 2.5 的负偏差。
Cladé 认为，巴黎和伯克利的实验都基于相同的物理原理，这使得这种分歧更加奇怪。“我不认为这种差异是由于使用了铯或铷。可能在其中一个实验中存在一些尚未考虑到的东西。这是我们现在应该尝试理解的事情，”他说。