Nechte elektron v klidu!

Středem zájmu veřejnosti bývají spíše velké urychlovače, postavené s cílem urychlit částice na rychlost co nejbližší rychlosti světla. Malé urychlovače jsou méně známé, přestože fyzikům poskytly přesná měření některých fundamentálních konstant. Příkladem takové konstanty je magnetický moment elektronu (pro laika podivná představa – bodová částice a chová se, jako kdyby měla dva póly!) či konstanta jemné struktury, které tak poskytují nejpřísnější testy kvantové elektrodynamiky, (teorie, jak interagují elektrony a fotony).

G. Uhlenbeck a S. Goudsmit navrhli již roku 1925, že elektron má vnitřní úhlový moment – spin – a k němu příslušný magnetický moment. Paul Dirac později stvořil teorii elektronu, v níž byl spin elektronu roven 1/2 a gyromagnetický poměr roven přesně 2 (ve standardních jednotkách, které pro pohodlí čtenářů neuvádíme). Dirakova teorie ignorovala fakt, že pohybující se elektron emituje elektromagnetické pole, které zpětně ovlivňuje pohyb elektronu. Kvantová elektrodynamika vzala tento efekt v úvahu a předpověděla gyromagnetický poměr o malinko větší než 2. Neustále se zpřesňující měření vyvolávala mezi fyziky euforii. Před několika lety byl experimentální pokrok v měření gyromagnetického poměru přerušen poznáním, že elektromagnetické vakuum (stav pole, v němž nejsou přítomna žádná kvanta) obklopující polapený elektron se podstatně liší od vakua ve volném prostoru (pro něž byla hodnota gyromagnetického poměru spočítána). To vede k efektům, které teorie neumí zahrnout. G. Gabrielse a jeho spolupracovníci se těmto problémům vyhnuli novým typem dutiny pro elektron – cylindrickou Penningovou pastí, jejíž pomocí se podařilo redukovat spontánní emisi 140krát. A když k tomu přidali ještě chlazení cyklotronu, aby eliminovali fotony pozadí, vytvořili slibné experimentální uspořádání pro superpřesná měření gyromagnetického poměru.

V cylindrické Penningově pasti je cyklotronový pohyb elektronu experimentální realizací stavů harmonického oscilátoru (Fockových stavů). Při ochlazení na 80 milikelvinů je možné uchovat elektron v základním stavu dlouhé hodiny. Průměrná doba mezi přechody z jednoho stavu do druhého byla pro 80 milikelvinů odhadnuta na 10³² let!

Jedno z velmi obtížných témat kvantové mechaniky jsou nedemoliční měření – to je v kvantové mechanice poněkud „obskurní“ záležitost, neboť standardní moudrost kvantové teorie praví, že měřicí aparát při měření kvantový stav změní. Takže chci-li měřit určitý kvantový stav vícekrát, potřebuji více „kopií“ tohoto stavu, zatímco při nedemoličním měření mohu tentýž stav na dané „kopii“ měřit znovu a znovu.

Když E. O. Lawrence v třicátých letech postavil první cyklotron, netušil, k jakým aplikacím povedou trpasličí potomci tohoto cyklotronu.

Přes teoretickou jednoduchost jsou experimenty s obyčejným harmonickým oscilátorem nesmírně obtížně reprodukovatelné – vyžadují totiž téměř perfektní eliminaci všech zdrojů šumu a poruch, tedy dokonalou izolaci oscilátoru od okolí.

Nejde jen o měření gyromagnetického poměru (tedy o potvrzení predikce kvantové elektrodynamiky), jde rovněž o kvantová logická hradla, kvantovou dekoherenci, teorii měření a další. (Phys. Rev. Lett. 83, 1287–1290, 1999)

Nature 401, 871, 1999