به دنبال چنبر قطبی

چند سال پیش گروه ویمن از دانشگاه کلرادو آزمایش لیزری بسیار دقیقی را گزارش کرده است که حاکی از یافتن یک اثر نقض کنندة هم پایگی در اتم است: چنبر قطبی مغناطیسی.
از فیزیک پایه می‌دانیم که جریانهای دایره‌ای دو قطبی مغناطیسی به وجود می‌آورند، میدان حاصل از دو قطبی مغناطیسی بلند برد است و متناسب با 1/r3 تغییر می‌کند، اما اگر جریان شبیه جریان یک پیچة چنبره‌ای باشد، میدان مغناطیسی جای-گزیده می‌شود. این توزیع جریان دو قطبی ندارد، بلکه یک چنیر قطبی دارد که میدان حاصل از آن فقط درون چنبره مخالف صفر است. اگر هر دو نوع جریان وجود داشته باشند، جریان حاصل به شکل مار پیچی است. چنین جریانی تکدست است، و دستیدگی آن در بازتابش از یک آینة عوض می‌شود. وجود دستیدگی در اتمها یا هسته‌ها نشانة نقض همپایگی (یا تقارن چپ و راست) است.
از سال 1975 معلوم شده است که نیروهای ضعیف همپایگی را نقض می‌کنند. کمی پس از این کشف، زلدوپچ پیش ‌بینی کرد که برهم کنشی با این خاصیت می‌تواند باعث تولید چنبر قطبی شود. اساس کار چندان مشکل نیست، اما در عمل به خاطر آثار اختلالی ناشی از نیروی قوی، محاسبة مقدار چنبر قطبی هسته مشکل است. در این زمینه محاسبات گوناگونی وجود دارد که نتایج آنها در گسترة یک ضریب 5ر2 قرار دارد. مشاهدة آثار تجربی چنبر قطبی هم دشوار است، زیرا میدان مغناطیسی چنبر قطبی هسته درون هسته جایگزیده است. اما احتمالی معین (هرچند کوچک) برای حضور الکترون در هسته وجود دارد. بنابراین دو قطبی مغناطیسی الکترون می‌تواند با چنبر قطبی مغناطیسی هسته برهم‌کنش کند.
از آنجا که چنبر قطبی مغناطیسی هسته در راستای دوقطبی مغناطیسی آن است، برهم کنش چنبر قطبی با دو قطبی الکترون باعث ناپایستگی همپایگی به مقداری می‌شود که به حالت فوق ریز اتم بستگی دارد. پدیدة اصلیای که باعث ناپایستگی همپایگی در گذارهای اتمی می‌شود، برهم‌کنش ضعیف الکترون با بوزونهای Z مجازی است، که به ساختار فوق ریز بستگی ندارد. اثر چنبر قطبی در حدود یک تا چند درصد این اثر اصلی محاسبه شده است.
نقض همپایگی در آزمایشهای بولدر، برای گذار 7S ـ 6S اتمهای سزیم مشاهده می‌شود. این گذار، که طول موج آن nm540 است، در حالت عادی ممنوع است، اما با اعمال یک میدان الکتریکی مجاز می‌شود. دامنة این گذار با دامنة گذار حاصل از برهم ‌‌کنش ناقض همپایگی تداخل می‌کند و با سنجش احتمال گذار (و با معلوم بودن دامنة گذار حاصل از میدان الکتریکی به تنهایی) می‌توان اثر ناقض همپایگی را به دست آورد. وجود چنبر قطبی مغناطیسی از آنجا معلوم می‌شود که این اثر برای گذارهای بین حالات فوق ریز متفاوت کمی فرق می‌کند. این تفاوت در حدود 7ر0 ± 7ر4 درصد به دست آمده است، که در بالای ناحیة پیش‌بینی نظری قرار دارد.
کوچکی اثر و وجود خطاهای سیستماتیک متعدد باعث شده است که این آزمایش بسیار دشوار باشد. گروه آزمایشهای متعددی انجام داده است تا نشان بدهد عواملی که قاعدتاً نباید بر این اثر ناقض همپایگی مؤثر باشند، واقعاً هم اثری ندارند و پدیدة مشاهده شده حاصل خطاهای سیستماتیک نیست. کل زمان آزمایشها بیش از 350 ساعت بوده است، اما از آن مهمتر زمانی است که صرف بهبود دستگاهها و روشهای تعیین و حذف خطا شده است. بیش از 12 سال طول کشیده است تا چنین دقتی به وجود آید که گروه از نتیجة کار راضی باشد و آن را واقعی بداند. به نظر می‌رسد که دیگران هم به این نتیجه اعتماد دارند.