Группа ученых из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) под руководством профессора Паоло Кривелли (Paolo Crivelli) измерили частоту перехода между 2S и 2P подуровнями, лэмбовский сдвиг и 2S-расщепление в мюонии — экзотическом атоме, состоящем из мюона и электрона. Эта работа поможет ученым в поисках отклонений от главной физической теории — Стандартной модели, и путей к Новой физике. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.
«Мы показали возможность измерения перехода, который в перспективе, если увеличить статистику измерений и уменьшить ошибки, позволит наиболее точно измерить лэмбовский сдвиг в атоме мюония», — говорит старший научный сотрудник Лаборатории "Оптика сложных квантовых систем" ФИАН Артем Головизин.
Мюон — это фундаментальная частица, лептон, которая может обладать как положительным, так и отрицательным зарядом. Она похожа на электрон, обладает таким же спином 1/2, но в 207 раз тяжелее. При этом время жизни мюонов крайне мало — 2,2 • 10-6 с. Мюоны впервые были обнаружены в космическом излучении Андерсоном и Неддермайером в 1936 году.
Боровская модель устройства атомов говорит, что уровень энергии электронов в атоме задается номером его оболочки — так называемым главным квантовым числом. А электронная оболочка представляет собой симметричное распределение электронов по орбиталям вокруг ядра. При переходе с основного уровня на первый возбужденный уровень у электрона есть две возможных конфигурации того, как он будет распределен в атоме. Он может быть либо сферически распределен, либо гантелеобразно. Сферическое положение — это S-орбиталь. А гантелеобразное — это P-орбиталь. При этом на S-орбитали будет один электронный уровень 2S1/2, а электронный уровень P-орбитали будет состоять из двух подуровней 2P1/2 и 2P3/2. Число ½ здесь означает полный момент электрона, который обозначается буквой J и может быть равен 1/2, 3/2 и так далее.
Согласно теории Дирака уровни 2S1/2 и 2P1/2, то есть с одинаковым полным моментом электрона J=1/2, не должны отличаться по энергии. Однако в ходе экспериментов ученые обнаружили, что на самом деле 2P-уровень энергий разделен на два подуровня: 2P1/2 и 3P1/2. И оказалось, что когда орбиталь электрона имеет гантелеобразную форму, уровень ее энергии ниже, чем когда электрон имеет сферическую форму. Этот сдвиг энергий называется Лэмбовским сдвигом.
Когда были открыты мюоны, ученые обнаружили интересную особенность — их проще изучать, чем протон. Протон — это составная частица, состоящая из кварков. Чтобы описать его свойства нужно применять теорию квантовой электродинамики и квантовую хромодинамику — это требует сложных расчетов, которые трудно проверять в экспериментах. Для мюона — элементарной частицы, ситуация проще, в этом случае достаточно квантовой электродинамики.
Почти сразу после открытия ученые заметили аномалии в измерениях некоторых характеристик мюона. Все расчеты, которые делались в других системах с электроном, совпадали с экспериментами. То есть для электрона квантовая электродинамика работает. Но почему-то для мюона она дает заметное расхождение с результатами экспериментов. Недавние исследования G-2 в FermiLab подтвердили, что это расхождение усиливается. Это может означать, что есть какие-то неизвестные нам взаимодействия мюона с чем-то, например, с какой-то новой частицей, которая взаимодействует почему-то только с мюоном. Это одно из указаний, что Стандартная модель не полна.
Для высокой точности измерений требуется источник интенсивного пучка частиц мюония, чтобы уменьшить статистические ошибки. Такой источник есть в швейцарском в Институте Пола Шеррера. Именно там проводит исследования коллаборация Mu-Mass, в которую входят физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и ФИАНа. В этом институте есть современный ускоритель, в котором протоны разгоняются до высоких скоростей и бомбардируют мишень, в результате чего рождаются мюоны.
«Уникальность нашего измерения обусловлена тем, что мы работаем на довольно интенсивном пучке мюонов, причем холодных. Этот факт позволил нам как раз улучшить, измерить частоту этого перехода за счет того, что мы получали значительно больше мюонов, чем до этого, или чем в каких-либо других лабораториях можно получить», — говорит Артем Головизин.
В своей работе ученые создавали пучок мюонов, который с помощью электромагнитных полей направлялся сквозь тонкую карбоновую фольгу толщиной 10 нанометров. Проходя через нее, некоторые мюоны захватывали электрон, образовывая таким образом мюоний. Он очень похож на атом водорода, только протон заменен на мюон. Примерно у 10% мюониев электроны оказываются на подуровне 2S1/2. Именно такие атомы интересовали ученых.
Далее пучок направлялся через электромагнитное поле на частоте вблизи 580 МГц, что вызывало внутри мюония резонанс и переход 2S состояния в 2P — перескок из верхнего уровня на нижний уровень. Фиксируя этот переход, ученые измеряли резонансную частоту перехода, из чего в дальнейшем, используя вычисленные значения сверхтонких расщеплений 2S и 2P уровней (557,9 МГц и 186,1 МГц), пересчитывали значение лэмбовского сдвига, которое оказалось равным 1045,5 МГц.
Затем ученые измерили частоту перехода между подуровнями 2S1/2, F=0 и 2P1/2, F=1, где F - это номер сверхтонкого подуровня. Он оказался равен 580,6 МГц. Далее, взяв из предыдущей работы измерение частоты другого перехода между подуровнями 2S1/2, F=1 и 2P1/2, F=1, ученые по разнице частот этих двух переходов определили расщепление 2S уровня, равное 559,6 МГц.
«Мы прикладываем электромагнитное поле частотой вблизи 580 мегагерц. И когда мы прикладываем это поле, с какой-то вероятностью может произойти переход с верхнего уровня на нижний уровень. Если это произойдет, то нижний уровень очень быстро распадется в 1S состояние. Если этого не произойдет, то атом останется в 2S состоянии, и мы сможем его зарегистрировать.В зависимости от частоты прикладываемого радиочастотного поля, мы наблюдаем резонанс. Когда мы приближаемся к резонансу, мы видим, что часть атомов, которые летят в состоянии 2S, куда-то пропадают. И вот как раз из этих данных мы и можем определить резонансную частоту перехода», — поясняет Артем Головизин.
Так как протоны после разгона обладают высокой скоростью и энергией, то и мюоны имеют большую скорость. Однако чтобы эффективно производить мюоний, и тем более резонансно возбуждать переходы, нужно использовать медленные мюоны. Тогда больше шансов, что они захватят электрон и ученым удастся их измерить, иначе мюон может просто пролететь область возбуждения за очень короткое время, не захватив ни одного электрона. Поэтому ученые замедляют мюоны, чтобы сделать процесс захвата более эффективным. В эксперименте ученые тормозили мюоны с помощью неонового замедлителя, снижая их энергию с 28 мегаэлектронвольт до 20 электронвольт. Изначальная скорость мюонов составляет примерно четверть скорость света, а после замедления падает в 1000 раз.
Ученые надеются, что в будущем им удастся снизить статистическую погрешность и тогда измерение 2S1/2, F=0 -2P1/2, F=1 перехода поможет точно рассчитать лэмбовский сдвиг, так как именно этот переход лучше подходит для точных измерений. Пока что ученые сделали первый шаг в этом направлении. Тогда, если обнаружится расхождение экспериментальных результатов с теоретическими расчетами, и оно будет меньше погрешности измерений, это будет указывать на то, что ученые столкнулись с явлением, выходящим за пределы Стандартной модели.
«Мы пытаемся максимально точно измерить экспериментально это значение. И если не будет расхождения, то ничего интересного сказать не получится. Но если расхождение будет, это позволит что-то предполагать. Но чтобы понять, есть расхождение или нет, надо увеличивать точность измерений, потому что пока что ошибка измерений больше, чем возможное расхождение, которое есть между экспериментом и теорией», — говорит Артем Головизин.
Конечной целью ученых является определение массы мюона. Оно необходимо учёным для более точных расчетов, так как предсказать массу теоретическим путем невозможно.