СМИ о нас
| 18.01.24 | 18.01.2024 Российская академия наук. Применение гиперзвука для улучшения качества полупроводниковых гетероструктур |
Коллектив исследователей из ФИАН и МФТИ разрабатывает подход, который в перспективе позволит без прямого контакта с полупроводником вылечивать в нем некоторые типы дефектов. Ученые демонстрируют возможность «выгонять» дефект из полупроводниковой структуры с помощью лазерного гиперзвука, а движение дефекта детектируют по тонким изменениям в структуре пространственного свечения кристалла. Исследование поможет в разработке простой и доступной технологии улучшения качества полупроводниковых гетероструктур. Работа опубликована в журнале Journal of Applied Physics.
Гиперзвуковые волны распространяющиеся вдоль среза (111) монокристалла теллурида кадмия. Пятно в центре рисунка – область начального возбуждения волны.
Современная физика полупроводниковых гетероструктур изучает сложные многослойные объекты с хитрым строением. Например, структуры с множественными квантовыми ямами для изготовления лазеров или фотодетекторов. В таких структурах могут быть дефекты-вредители – дислокации: атомные цепочки или даже целые плоскости атомов, которые стоят не на своем месте. «Нарушители порядка» появляются в процессе производства кристаллов из-за неоднородности подложки, на которой выращивают структуру, случайного загрязнения или недостаточно точного контроля определенных технологических параметров.
Даже на современном уровне развития полупроводниковых технологий невозможно идеально контролировать процесс производства на атомном уровне. Например, в крупноформатной фоточувствительной матрице, в которой по сложной технологии изготавливаются много разных гетероструктурных пикселей, 100 % пикселей не получаются «здоровыми». Дефекты-вредители могут приводить к непредсказуемым изменениям свойств материала. Это приводит к появлению неправильно работающих, «больных» пикселей. Соответственно, нужен метод воздействия на данные пиксели чтобы, по возможности, уменьшить их количество.
Ранее в литературе был описан механизм воздействия на один из распространенных типов линейных дефектов с помощью пучка высокоэнергетичных электронов: в просвечивающем электронном микроскопе можно обнаружить дислокацию, затем с помощью сфокусированного пучка электронов сместить эту дислокацию или изменить ее внутреннюю структуру. При определенных условиях удавалась полностью устранить структурный дефект. Идея исследователей из ФИАН и МФТИ состояла в том, чтобы реализовать похожую технику, но в более простой, полностью оптической установке.
В качестве метода воздействия выбрали сфокусированный лазерный импульс длиной в сотни пикосекунд. Этот импульс поглощается в приповерхностных слоях кристалла и нарушает покой электронно-дырочной системы, основных «жителей» полупроводника. Чтобы успокоиться, система сбрасывает энергию в виде фононов – квантов колебаний кристаллической решетки. При правильном механизме возбуждения, наряду с квазитепловыми фононами, образуется гиперзвуковая деформационная волна, или, по-другому, импульс когерентных фононов гигагерцовых или субтерагерцовых частот. Эта волна, как считают авторы, приводит к скольжению дефекта и теоретически может позволить «выгонять» дислокации из кристалла.
Остается только проверить, что дефект-вредитель перебрался в другое место. Оптическим микроскопом напрямую дислокацию не увидеть, она слишком мала. Но можно подключить к решению задачи косвенный метод – микрофотолюминесценцию при низкой температуре. Электрон-дырочные пары цепляются за дефекты в кристалле и, если температура достаточно низкая, формируют яркие точечные излучатели. А при движении дефекта по кристаллу картина высвечивания будет изменяться, и таким образом можно уловить движение дислокации.
«У нас есть инструмент, который запускает волну гиперзвука, которая, в свою очередь, стимулирует движение дислокации, и инструмент, который позволяет увидеть ее движение. На примере распространенного модельного полупроводника мы показали, что можно подобрать параметры инструментов и заставить дефект двигаться, – комментирует Владимир Кривобок, руководитель Отдела твердотельной ИК фотоники Физического института им. П. Н. Лебедева РАН. – Метод можно обобщить на другие полупроводниковые материалы и пробовать создать технологию».
Как и многие интересные научные результаты, этот был получен побочно, в процессе исследования сложных полупроводниковых гетероструктур. Натолкнуться на идею позволило наличие у ученых двух установок: гиперзвукового микроскопа и установки для измерения микрофотолюминесценции при низких температурах. Гиперзвуковой микроскоп позволяет создать импульс, который выгоняет дислокацию из кристаллической структуры полупроводника, а микрофотолюминесценция помогает проверить, что «терапия» сработала.
Полученные результаты станут основой для разработки полностью оптической технологии локальной лазерной обработки протяженных дефектов в полупроводниках.
Исследование выполнено при поддержке Федеральной программы академического лидерства «Приоритет 2030».
Источник: ФИАН.
| 18.01.24 | 18.01.2024 РИА Новости. Ученый прокомментировал обнаружение новой "самой старой" черной дыры |
Черная дыра
"Есть разные модели. Некоторые из них дают и очень раннее образование черных дыр. Кроме того, есть модели, в которых черные дыры вообще могли образоваться на стадии так называемой горячей вселенной, то есть когда Большой взрыв только-только произошел и еще газ ионизованный, температура в сотни тысяч градусов, и при определенных начальных условиях в космологии могут родиться черные дыры. Тогда они будут гораздо старше, чем любые звезды и галактики, то есть, по сути, ровесники Вселенной", — сказал Пилипенко.
Разницу в 40 миллионов лет между возрастом недавно обнаруженной черной дыры и той, что считалась самой старой раньше, он назвал небольшой по меркам Вселенной. Но в ту эпоху, когда появились эти черные дыры, сама Вселенная существовала лишь несколько сотен миллионов лет. На этом фоне такая разница будет довольно значительной и достаточной для того, чтобы подтвердить некоторые модели образования черных дыр, заключил ученый.
| 31.01.23 | 31.01.2023 Коммерсант. Новый шаг к Новой физике |
Ученые приблизились к точному измерению лэмбовского сдвига
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) измерила 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.
Лэмбовский сдвиг и 2S-расщепление в мюонии — экзотическом атоме
Фото: Пресс-служба ФИАН
«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» ФИАНа Артем Головизин.
Мюон — 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. Время жизни мюонов крайне мало — 2,2 • 10–6 с. Мюоны впервые были обнаружены в космическом излучении Андерсоном и Неддермейером в 1936 году.
Модель устройства атомов, предложенная Нильсом Бором, 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 возможные конфигурации того, как он будет распределен в атоме. Он может быть либо сферически распределен, либо гантелеобразно. Сферическое положение — это S-орбиталь. А гантелеобразное — P-орбиталь. 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 1/2 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 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 2S1/2.0 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.
Лэмбовский сдвиг и 2S-расщепление в мюонии — экзотическом атоме
Фото: Пресс-служба ФИАН
«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 0мюоны 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 скорости 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 и 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, и 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 ошибка измерений больше, чем возможное расхождение, которое есть между экспериментом и теорией»,— говорит Артем Головизин.
Конечной целью ученых является определение массы мюона. Оно необходимо ученым для более точных расчетов, так как предсказать массу теоретическим путем невозможно.
Пресс-служба ФИАН имени Лебедева
Использованы материалы статьи
https://www.kommersant.ru/doc/5796892
| 31.01.23 | 31.01.2023 N+1. Российские физики собрали квантовый вычислитель из куквартов |
Российские физики объединили два ионных кукварта и продемонстрировали универсальный набор квантовых операций на них. Схема из двух куквартов эквивалентна схеме из четырех кубитов, но при этом ученым не пришлось добавлять ионы в схему — они использовали дополнительные подуровни иона, которые возникают при воздействии с внешним магнитным полем. Препринт работы доступен на arXiv.org.
Один из альтернативных способов упростить масштабирование квантовых вычислителей — использовать кудиты вместо кубитов. У кудитов уровней больше, чем два (их число обычно обозначают буквой d). Один кудит может заменить несколько кубитов. Это особенно актуально, если физическая система изначально имеет большее число уровней — например, система из ионов.
Ранее физики уже пробовали использовать ионы кальция (40Ca+) для реализации кудитов и продемонстрировали перспективность такого подхода. Однако уровни этого иона довольно сильно чувствительны к колебаниям магнитного поля, что вызывает декогеренцию кудитов.
Другая проблема создания вычислителей на кудитах скорее теоретическая. Универсальные наборы вентилей (с помощью которых можно приготовить любое состояние) заточены под кубиты. Поэтому часто для того, чтобы реализовать простой вентиль из универсального набора требуется несколько операций над кудитом. По этой причине для эффективного использования кудитных процессоров важно оптимизировать алгоритмы для работы с ними.
Ученые из Физического института имени Лебедева и Российского квантового центра под руководством Николая Колачевского (Nikolay Kolachevsky) занялись решением первой проблемы и вместо иона кальция использовали ион иттербия 171Yb+. На нем авторы еще в предыдущей работе реализовали оптический кубит, который управляется при помощи лазера в видимом диапазоне. Энергетическая схема данного иона позволяет сделать кудит менее чувствительный к магнитному полю. Ученым удалось реализовать универсальный набор вентилей на системе из двух кудитов, которого достаточно для запуска квантовых алгоритмов.
Схема энергетических уровней кукварта с обозначением всех переходов, которые используются в эксперименте (стрелки)
M.A. Aksenov et al. / arXiv.org, 2023
Авторы собрали систему из двух кудитов — ионов иттербия в магнитном поле, которое расщепляет уровни иона благодаря эффекту Зеемана, поэтому получившиеся дополнительные уровни называют зеемановскими подуровнями. Наличие шести подуровней позволяет электронам перескакивать не только между двумя состояниями (|0⟩ и |1⟩, как у кубита) — появляются дополнительные переходы, которые можно использовать для кодирования состояний |2⟩ и |3⟩ . Несмотря на то, что в магнитном поле образовалось шесть подуровней, то есть можно сделать кудит с d=6, более стабильным к внешним флуктуациям оказывается кукварт с d=4. Состояние |0⟩ как и всегда кодирует уровень с самым маленьким значением энергии, такое состояние еще называют основным. В идеальном случае охлаждение ионов переводит их в состояние |0⟩, тем не менее есть вероятность того, что электрон перейдет на один из расщепленных уровней (переход на этот подуровень обозначен зеленой сплошной волнистой линией). Для того, чтобы не потерять электроны, попавшие «не туда», можно перебросить их на верхний уровень (желтая прямая стрелка), откуда они могут релаксировать на один из нижних уровней (желтая волнистая стрелка) и снова участвовать в процессе охлаждения.
Для точных манипуляций над ионами необходим высокостабильный лазер с узким спектральным распределением. Зеркала для изготовления оптического резонатора со сверхвысоким коэффициентом отражения были изготовлены в России. Для управления кудитами, лазерный пучок освещал ионы с двух сторон — вдоль оси ловушки и перпендикулярно к ней. Пучок вдоль оси освещал оба иона одновременно и использовался для двухкудитных операций. Второй пучок может фокусироваться индивидуально на каждом из ионов и используется для проведения однокудитных операций.
Сложность реализации стандартных вентилей в авторской схеме связана с расположением энергетических уровней и переходов: напрямую электрон можно перебрасывать только из основного состояния в состояния |1⟩, |2⟩, |3⟩ и наоборот. А переходы между не основными состояниями напрямую невозможны, поэтому для перехода, например, из состояния |2⟩ в состояние |3⟩ нужно сначала перевести кудит в состояние |0⟩, а потом уже из него в состояние |3⟩.
Кроме того, процесс считывания для кудитов оказывается сложнее, чем для кубитов: нужно измерять вероятность системы находиться в одном из четырех состояний. Поэтому для вероятности каждого состояния ученые проводили отдельное измерение.
Схематическое изображение магнитооптической ловушки и управляющих лазерных пучков
M.A. Aksenov et al. / arXiv.org, 2023
Оценить распределение электронов по уровням можно по флуоресцентному сигналу, который излучает ион, так как флуоресценция происходит только если кудит оказался в состоянии |0⟩. Степень совпадения выходного состояния с тем, что предсказывает теория, говорит о точности операций. Переходы из состояния |0⟩ в любое другое оказались точными на 83–87 процентов (на данный момент им удалось повысить ее до 99). Понятно, что точность операции по переходу из неосновного состояния в другое неосновное будет ниже, потому что она будет складываться из двух последовательных операций. При этом влияние преобразований над одним из кубитов на другой, состояние которого не меняется (кросс-взаимодействие) оказалось меньше 10 процентов, то есть ученым удается точно управлять одним из кудитов, «не задевая» другой.
Двухкудитные операции над системой состояли в том, чтобы перевести систему из основного состояния в одно из состояний Белла (суперпозицию состояний |00⟩ и |11⟩). Чтобы оценить степень совпадения такой операции физики проверяли, что вероятность состояний |01⟩ и |10⟩ близка к нулю, а также выполняются требуемые фазовые соотношения между уровнями. Она оказалась равной примерно 65 процентам.
Помимо логичных технических улучшений схемы, авторы рассматривают возможность использовать нативные для кудитов на ионах операции. Теоретические предпосылки к этому изложила другая группа ученых: они нашли оптимальный способ реализации многокубитных вентилей с помощью кудитов.
Подробнее о том, как работает ионная логика и какими исследованиями занимаются сейчас в России, можно узнать из нашего материала «Квантовое преследование».
| 31.01.23 | 31.01.2023 Полит.ру. Мюонный атом и новая физика |
Ускоритель для получения мюонов в Институте Пола Шеррера
Paul Scherrer Institut
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) измерила 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. Об исследовании сообщила пресс-служба ФИАН.
«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 Артём 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 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 Артём 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.
Схема энергетических уровней мюония
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 пропадает. И вот как раз из этих данных мы и можем определить резонансную частоту перехода», — поясняет Артём 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 Артём Головизин.
Конечной целью ученых является определение массы мюона. Оно необходимо для более точных расчетов, так как предсказать массу теоретическим путем невозможно.
| 26.01.23 | 26.01.2023 НТВ Сегодня. В России 200 научных организаций получат гранты на обновление приборной базы |
Около 200 научных организаций по всей стране с нетерпением ждут грантов от правительства. Более 15 миллиардов рублей — рекордная сумма для национального проекта «Наука и университеты». Средства пойдут на закупку приборов именно российского производства. Модернизация оборудования позволит работать над передовыми исследованиями.
В лаборатории, известной далеко за пределами Нижнего Новгорода и даже страны, стеллажи со старыми приборами (некоторые из них помнят еще советских ученых) не должны вводить в заблуждение. Опираясь на мощнейшую установку, которая способна разогреть плазму (в это даже трудно поверить) до нескольких миллионов градусов, замдиректора по научной работе Института прикладной физики Вадим Скалыга рассказывает, что аналогов этому прибору в мире не существует.
Гиротрон — это система нагрева. Проще говоря, как микроволновка, только мощнее. Устройство помогает исследованиям в области управляемого термоядерного синтеза. А если установки такого типа больше нигде не собирают, соответственно, негде и достать для них запчасти. Тут на выручку пришла федеральная программа модернизации оборудования. Благодаря ей у института появились все необходимые для такой установки детали. Ведь функционируют-то новые приборы на микронном уровне, но их цена далеко не микроскопическая. Только за счет института купить, сколько захочешь, не получится. Например, один небольшой усилитель для сверхмощного лазера, который тоже можно назвать расходником, стоит несколько миллионов рублей за один стержень.
Вадим Скалыга, заместитель директора по научной работе Федерального исследовательского центра института прикладной физики Российской академии наук: «На сегодняшний день в России в достаточном объеме обновлено оборудование среднего ценового диапазона. Но я бы сказал, что по-прежнему не хватает оснащения уникальным оборудованием. То есть это действительно дорогостоящие установки, которые открывают уникальные возможности и, вообще говоря, даже в ведущих мировых лабораториях существуют в единичных экземплярах. На компенсацию недостатка именно такого оборудования направлена программа обновления приборной базы».
Всего в этом году на реализацию программы модернизации оборудования в рамках нацпроекта «Наука и университеты» из бюджета выделили 15,5 миллиарда рублей. Это почти на 4 миллиарда больше, чем в прошлом году, и в два раза больше, чем в 2021-м. При этом правила участия в программе, в отличие от объемов финансирования, не изменились: одно из главных условий получения гранта — это закупка приборов российского производства.
Столичный Физический институт Академии наук и МГУ имени Ломоносова в этом году получили самые большие гранты — 454 и 567 миллионов соответственно. Как признаются физики, многие исследования в институте напрямую зависят от приборов, которые должны поступить благодаря программе. Самая крупная закупка из планируемых предназначена для модернизации отечественной установки в области микроэлектроники. На этой уйдет около 80 миллионов. В целом же доля российских приборов в заявке превышает 30%.
Сергей Кудряшов, ведущий научный сотрудник, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией лазерной нанофизики и биомедицины Физического института им. П. Н. Лебедева РАН: «В первую очередь нас, конечно, интересуют наши любимые игрушки — лазеры. Здесь доходит иногда до смешных ситуаций. Например, у моих коллег есть немецкий лазер, который уже на треть состоит из российских деталей. Они не только понимают, как он работает, они даже умеют его ремонтировать и улучшать».
В Институте химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Академии наук хоть не претендуют пока на самые современные лазеры, но все равно тоже с нетерпением ждут очередной грант.
Владимир Коваль, исполняющий обязанности директора Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН: «На самом деле физико-химическая биология и биохимия современная — это про оборудование. Поэтому все то, чего человечество достигает в биохимии молекулярной биологии, возможно только с наличием самого современного оборудования».
Главная задача на этот год — в первую очередь закупиться биосенсорами. Они помогают в том числе в разработке лекарственных препаратов.
Владимир Коваль: «Различные биосенсоры для исследования белково-нуклеиновых комплексов как для фармацевтики, так и для диагностики. Мы планируем к покупке клеточное оборудование для работы с клетками, с животными. Это те вызовы, которые есть сейчас в мировой науке».
Всего же в этом году, по оценке Минобрнауки, гранты на обновление своей приборной базы получат в общей сложности 200 научных организаций. При этом самые крупные суммы (от 200 миллионов рублей) переведут сразу 23 учреждениям из 11 регионов, чтобы оборудование советских времен в каждом из участвующих в программе институтов если и хранилось, то только на музейных полках, а не на стеллажах действующих лабораторий.
| 30.01.23 | 30.01.2023 Научная Россия. Физики приблизились к точному измерению Лэмбовского сдвига в экзотическом мюонном атоме |
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) измерила 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 неполна.
Для высокой точности измерений требуется источник интенсивного пучка частиц мюония, чтобы уменьшить статистические ошибки. Такой источник есть в швейцарском 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 скорости 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.
Информация и фото предоставлены отделом по связям с общественностью ФИАН
| 31.01.23 | 31.01.2023 Российская академия наук. Физики приблизились к точному измерению Лэмбовского сдвига в экзотическом мюонном атоме |
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.
Иллюстрация к описанию точного измерения Лэмбовского сдвига в экзотическом мюонном атоме. Источник: ФИАН имени Лебедева РАН.
«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.
Схема к описанию точного измерения Лэмбовского сдвига в экзотическом мюонном атоме. Источник: ФИАН имени Лебедева РАН.
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.
Источник: Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН.
| 31.01.23 | 31.01.2023 Селдон Новости. Физики приблизились к точному измерению Лэмбовского сдвига в экзотическом мюонном атоме |
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) измерила 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 неполна.
Для высокой точности измерений требуется источник интенсивного пучка частиц мюония, чтобы уменьшить статистические ошибки. Такой источник есть в швейцарском 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 скорости 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.
Информация и фото предоставлены отделом по связям с общественностью ФИАН
| 31.01.23 | 31.01.2023 Телеграм-канал РАН. Физики приблизились к точному измерению Лэмбовского сдвига в экзотическом мюонном атоме |
Приблизиться к точному измерению Лэмбовского сдвига в экзотическом мюонном атоме удалось группе ученых из ФИАН и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) под руководством профессора Паоло Кривелли (Paolo Crivelli). Они измерили частоту перехода между 2S и 2P подуровнями, лэмбовский сдвиг и 2S-расщепление в мюонии – экзотическом атоме, состоящем из мюона и электрона. Работа поможет ученым в поисках отклонений от главной физической теории — Стандартной модели, и путей к Новой физике.
«Мы показали возможность измерения перехода, который в перспективе, если увеличить статистику измерений и уменьшить ошибки, позволит наиболее точно измерить лэмбовский сдвиг в атоме мюония», – пояснил старший научный сотрудник Лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» ФИАН Артем Головизин.
