1 февраля 2021

В ПИЯФ предложили использовать многоатомные молекулярные ионы для поиска Новой физики

ПИЯФ ПИЯФ

В Лаборатории квантовой химии (ЛКХ) Отделения перспективных разработок (ОПР) НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ предложили использовать трёхатомный молекулярный катион для поиска Новой Физики.

Одной из важнейших задач современности является поиск Новой физики за рамками Стандартной модели. Такие явления, как существование тёмной материи и тёмной энергии, не описываютcя этой моделью. Не решены и другие вопросы, такие как барионная асимметрия Вселенной. Эксперименты с использованием тяжёлых двухатомных молекул YbF, HfF+, ThO в последнее десятилетие доказали свою высокую эффективность в поиске проявлений Новой физики, в частности, при измерении электрического дипольного момента электрона. Эти эксперименты активно развиваются.

В недавно вышедшей статье сотрудники ЛКХ совместно с учёными из Австралии и Швейцарии предложили использовать трёхатомный молекулярный катион LuOH+ для поиска магнитного квадрупольного момента ядра f-элемента лютеция. Ранее, они также впервые теоретически рассмотрели перспективность использования для этих целей молекулы YbOH. Отличное от нуля значение магнитного квадрупольного момента ядра само по себе означает нарушение симметрий фундаментальных взаимодействий. Магнитный квадрупольный момент ядра благодаря коллективным эффектам оказывается усилен в таких ядрах, как ядро лютеция. Использование молекулы позволяет получить усиленный эффект взаимодействия магнитного квадрупольного момента ядра с электронами благодаря наличию в молекулах близколежащих уровней противоположной чётности. Стоит отметить, что в отличие от экспериментов по поиску электрического дипольного момента электрона, магнитный квадрупольный момент ядра нужно искать на молекулах с ядрами тяжёлых элементов, имеющих спин больше единицы. Этим, в частности, обусловлен выбор молекул YbOH и LuOH+. Важным преимуществом данных молекул также является возможность их лёгкой поляризации.

Особенностью катиона LuOH+ является также то, что его можно долго хранить в ионной ловушке. Этот катион можно получить в холодном состоянии. Холодный атомный катион Lu+ может быть получен прямым лазерным охлаждением и захвачен в ионную ловушку. Молекулярный катион может быть получен в ходе химической реакции уже холодного иона Lu+, например, с молекулой воды. Оставшиеся атомные ионы могут быть использованы для симпатического охлаждения полученного молекулярного иона. Молекула же YbOH может быть напрямую охлаждена лазером. Использование холодных молекул позволяет увеличить время когерентности. Погрешность искомых энергетических сдвигов обратно пропорциональна этому времени.

Расчёты свойств молекул удалось выполнить на самом передовом уровне теории, в частности, впервые в мире был явно получен и учтён вклад брейтовского взаимодействия в молекулярные коэффициенты усиления магнитного квадрупольного момента ядра при одновременном явном учёте эффектов электронной корреляции. Согласно полученным результатам, ожидаемая чувствительность экспериментов на рассмотренных системах позволит заметно улучшить текущее ограничение на параметр CP-нарушения сильных взаимодействий. Для катиона LuOH+ эта чувствительность оказывается наибольшей среди всех рассматриваемых экспериментально молекулярных систем для поиска эффектов нарушения CP-симметрии.

Работа группы ЛКХ выполнена при поддержке грантов РНФ № 18-12-00227 и РФФИ № 20-32-70177.

Петербургский институт ядерной физики имени Б.П.Константинова (ПИЯФ) был основан в 1956 году как филиал знаменитого Ленинградского физтеха и в 1971 году стал уже самостоятельным институтом, носящим имя своего основателя. В институте проводятся фундаментальные научные исследования в области физики элементарных частиц и высоких энергий, ядерной физики, физики конденсированных сред, молекулярной и радиационной биофизики. Кроме того, ведутся исследования в прикладных областях, где применение самых передовых научных решений приводит к принципиально новым разработкам в области приборостроения, медицины и экологии. В институте действуют две базовых экспериментальных установки - реактор ВВР-М и протонный ускоритель. В настоящее время ПИЯФ организационно подчинён Курчатовскому институту