Физики провели рекордно точное измерение зарядового радиуса ядра гелия с помощью лазерной спектроскопии. Для этого они присоединили к ядру мюон, и померили у образовавшегося иона частоту 2S-2P перехода. Работа опубликована в Nature.
Прецизионная лазерная спектроскопия — это один из самых точных экспериментальных методов в физике на сегодняшний день. Она основана на поиске и измерении резонансов атомных переходов с очень маленьким шагом. Увеличивающаяся точность с определенного момента позволила замечать влияние размера атомных ядер на резонансные частоты, и, соответственно, измерять этот размер.
Эта идея получила новое развитие, когда физики научились применять методы лазерной спектроскопии к мюонным атомам. Мюон — это частица, которая полностью подобна электрону, за исключением конечного времени жизни и массы, более чем в 200 раз превышающей массу электрона. Бóльшая масса означает меньший радиус орбиты, и, как следствие, волновая функция мюона перекрывается с волновой функцией ядра почти в 8 миллионов раз больше. Этот факт существенно увеличил точность в определении размеров различных ядер, что привело к обнаружению в 2010 году расхождений в радиусах протона, полученных на обычном и мюонном водородах.
В поисках решения образовавшейся загадки радиуса протона физики начали активнее исследовать простейшие ядра, такие как протон, дейтрон и альфа-частицу. И если размеры первых двух ядер уже были измерены с помощью лазерной спектроскопии, то информацию о размере ядра гелия до недавнего времени получали только с помощью рассеяния электронов. Этот пробел решила закрыть группа физиков из девяти стран при участии Альдо Антоньини (Aldo Antognini).
Ядро гелия — или альфа-частица — состоит из двух протонов и двух нейтронов. Оно занимает особое место в ядерной физике. Это самое легкое дважды магическое ядро, а потому оно стабильно и очень распространено во Вселенной. Бóльшая энергия связи по отношению к близким по массе немагическим ядрам приводит, к примеру, к тому, что, что размер ядра гелия на 20 процентов меньше, чем размер дейтрона, который состоит всего лишь из одного протона и одного нейтрона. Кроме того, парность всех нуклонов приводит к взаимной компенсации их орбитальных и спиновых моментов. Благодаря этому энергетические уровни атомов и ионов гелия не испытывают никакого сверхтонкого расщепления, что существенно упрощает интерпретацию спектров.
Для получения мюонных атомов команда физиков использовала самый мощный в мире источник медленных мюонов, расположенный в Институте Пауля Шеррера, Швейцария. Пучок, интенсивностью примерно 500 мюонов в секунду, тормозился об газ атомов гелия, находящегося в камере при низком давлении (2 миллибара) и комнатной температуре. Соударяясь с атомами, мюоны теряют энергию, и, будучи захваченными ядрами гелия, останавливаются, замещая при этом электроны. В конечном итоге в камере образуются возбужденные водородоподобные ионы гелия с одним мюоном, которые через некоторое время релаксируют. Большинство ионов переходит в основное 1S состояние, однако сотая часть задерживается на метастабильном 2S состоянии, которое и использовалось в эксперименте. В частности, авторы работы измеряли частоту перехода такого атома из состояния 2S в состояния 2P1/2 (лэмбовский сдвиг) и 2P3/2, а затем сопоставляли результат с теоретическими формулами, которые задержат зарядовый радиус в качестве неизвестной переменной.
Схема уровней иона (μ4He)+. Синими стрелками показаны переходы, чьи частоты измерялись для определения размера ядра. Черная стрелка — последующая релаксация на основное состояние, сопровождаемая излучением рентгеновского фотона. Регистрация последнего — одна из частей системы контроля событий.
Krauth et al. / Nature, 2021
Замечательной особенностью работы экспериментаторов стала система контроля событий, которая позволяет достоверно сказать, что физики зафиксировали именно описанные выше процессы, а не что-либо еще. Она начинается с детектора мюонов, который ставится перед камерой с гелием и позволяет регистрировать каждую влетающую частицу. После чего, система выжидает некоторое малое время, нужное, чтобы произошли все процессы с образованием мюонного иона в 2S состоянии, а затем выстреливает импульсом из перестраиваемого лазера. Если в результате этого произошел переход на 2P уровень, то через какое-то время система с помощью лавинных фотодиодов должна зафиксировать рентгеновский фотон с энергией 8,2 килоэлектронвольта, который свидетельствует о релаксации иона. Наконец, спустя еще некоторый промежуток времени должен быть зафиксирован высокоэнергетический электрон, образованный после распада мюона. Только при единовременной фиксации всех указанных частиц система считает событие состоявшимся. На практике оказалось, что даже на частоте резонанса система фиксировала в среднем восемь нужных событий в час, отличая их от почти 50 000 событий, соответствующих иным атомным процессам в установке.
Зависимость зафиксированных событий (в условных единицах) от частоты лазера для перехода 2S → P3/2 (слева) и 2S → 2P1/2 (справа). Зеленый диапазон — это данные, полученные из эксперимента по рассеянию электронов на альфа-частицах.
В результате эксперимента и учета всех погрешностей авторы получили значение зарядового радиуса ядра гелия, равного 1,67824(83) фемтометра. Оно находится в хорошем согласии с числом, полученным ранее в эксперименте по упругому рассеянию электронов на альфа-частицах, но превышает его в точности почти в пять раз. Уточненный радиус в свою очередь может быть использован для улучшения моделей в будущей серии экспериментов по рассеянию.
Полученный результат, однако, важен в первую очередь для теоретической физики. Дело в том, что на сегодняшний день, у нас нет полной теории, которая позволяет связывать свойства ядер с кварковой структурой отдельных нуклонов. Это отличает ядерную физику от атомной, где главную роль играет электромагнитное взаимодействие, и свойства атомов могут быть предсказаны путем решения уравнений квантовой механики из первых принципов. Вместо этого физики используют так называемые «эффективные теории», в которых часть процессов не описывается, а заменяется несколькими ключевыми параметрами. Уточненное значение радиуса альфа-частицы дает новую информацию об этих параметрах.
Наконец, полученный результат позволяет ограничить, либо опровергнуть новые теории, которые описывают эффекты за пределами Стандартной модели. Такие теории возникли в качестве одной из попыток решения загадки радиуса протона. Однако недавние эксперименты, уменьшившие расхождение мюонных и водородных значений этого радиуса, свидетельствуют о том, что ее решение нужно искать скорее в аппаратной части, нежели в теории.
