Russian Academy of Sciences

Landau Institute for Theoretical Physics

Zachem nuzhny issledovaniya kvantovoi elektrodinamiki mnogozaryadnykh ionov

22 October

Pyatogo oktyabrya 2018 goda v ITF imeni Landau vystupil professor, doktor fiziko-matematicheskikh nauk, zaveduyushchii kafedroi kvantovoi mekhaniki Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo universiteta Vladimir Shabaev. On rasskazal, kak issledovaniya mnogozaryadnykh ionov pozvolyayut issledovatelyam testirovat’ kvantovuyu elektrodinamiku v novoi, ranee nedostupnoi oblasti ochen’ sil’nykh polei, i zaodno pomogayut reshat’ vazhnye prakticheskie voprosy – naprimer, utochnyat’ massu elektrona i magnitnye momenty tyazhelykh yader.

Doklad byl posvyashchen kvantovoi elektrodinamike (KED) mnogozaryadnykh ionov – ionov s bol’shim zaryadom yadra i malym chislom elektronov. «Mnogozaryadnye iony poluchayut raznymi metodami, – ob’yasnyaet Shabaev. – Odin iz metodov, predlozhennyi i realizovannyi v Dubne, osnovan na bombardirovke atomov puchkom vysokoenergeticheskikh elektronov, rezul’tate kotoroi elektrony vybivayutsya s atomnykh orbitalei. Istochniki ionov, sozdannye v Dubne i poluchivshie nazvanie Electron beam ion source (EBIS), stali osnovoi ustanovok Electron beam ion trap (EBIT), kotorye v nastoyashchee vremya ispol’zuyutsya vo mnogikh stranakh dlya pretsizionnykh izmerenii s mnogozaryadnymi ionami». Iony, v kotorykh ostaetsya odin elektron, nazyvayut vodorodopodobnymi, iony s tremya elektronami – litiepodobnymi. Samye tyazhelye mnogozaryadnye iony segodnya poluchayut na uskoritelyakh v Institute fiziki tyazhelykh ionov v Darmshtadte (GSI, Darmstadt). V etom sluchae bol’shaya chast’ elektronov «obdiraetsya», kogda puchok vysokoenergeticheskikh ionov propuskayut cherez fol’gu.

 

Proverka teorii

Mnogozaryadnye iony, naprimer, urana predstavlyayut soboi unikal’nyi instrument dlya proverki metodov kvantovoi elektrodinamiki v oblasti ochen’ sil’nykh elektromagnitnykh polei, tak kak iz-za malogo kolichestva elektronov takie sistemy mozhno ochen’ tochno poschitat’. Do togo, kak v 80-e gody stali vozmozhnymi vysokotochnye eksperimenty s mnogozaryadnymi ionami, fiziki mogli proveryat’ teoriyu KED lish’ v oblasti slabykh polei. Eto delalos’ v eksperimentakh s legkimi atomami, takimi kak vodorod, gelii, pozitronii (elektromagnitno svyazannaya atomopodobnaya kvantovomekhanicheskaya sistema, sostoyashchaya iz elektrona i pozitrona) i drugikh. Naibolee udobnymi, s tochki zreniya teorii, byli legkie vodorodopodobnye atomy, potomu chto takie sistemy v ramkakh KED soschitat’ proshche, chem atomy s bol’shim chislom chastits. Pretsizionnye eksperimenty s mnogozaryadnymi ionami pozvolili sushchestvenno rasshirit’ oblast’ proverki sovremennykh metodov vychislenii v ramkakh KED.

 

«V otlichie ot legkikh atomov, vychisleniya mnogozaryadnykh ionov dolzhny proizvodit’sya bez kakogo-libo razlozheniya po konstante vzaimodeistviya elektrona s yadrom, to est’ v neperturbativnom rezhime po sootvetstvuyushchemu parametru svyazi, – ob’yasnyaet Shabaev. – Eto potrebovalo razvitiya novykh neperturbativnykh metodov vychisleniya takikh sistem v ramkakh KED. K nastoyashchemu vremeni sravnenie teorii i eksperimenta dlya energii osnovnogo sostoyaniya v vodorodopodobnom ione urana pozvolilo testirovat’ KED v sil’nom kulonovskom pole na urovne 2%, a v sluchae energii 2p1/2-2s perekhoda v litiepodobnom ione urana — na urovne 0,2%».

 

Osobyi interes predstavlyayut issledovaniya kvantovoi elektrodinamiki v oblasti tak nazyvaemykh sverkhkriticheskikh polei. Soglasno predskazaniyam KED, v odnorodnom postoyannom elektricheskom pole vozmozhno spontannoe rozhdenie iz vakuuma elektron-pozitronnykh par, esli napryazhennost’ etogo polya stanovitsya sravnimoi po velichine s tak nazyvaemym shvingerovskim predelom ~1016 V/sm. «K sozhaleniyu, sozdat’ takoe pole v eksperimente v nastoyashchee vremya ne predstavlyaetsya vozmozhnym, – rasskazyvaet Shabaev. – Mozhno bylo by ozhidat’, chto trebuemye napryazhennosti elektromagnitnykh polei mogut byt’ dostignuty s ispol’zovaniem noveishikh lazernykh tekhnologii. Odnako segodnya dostizhimaya napryazhennost’ na 3-4 poryadka men’she i dazhe samye optimistichnye stsenarii razvitiya lazernykh tekhnologii v obozrimom budushchem predskazyvayut dostizhenie polya, kotoroe na 2 poryadka nizhe shvingerovskogo. Odnako est’ drugoi sposob dostizheniya sverkhkriticheskogo polya v KED: nuzhnymi kharakteristikami dolzhno obladat’ kulonovskoe pole protyazhennogo yadra s zaryadom prevyshayushchim Zc=173». Tak kak v prirode net takikh sverkhtyazhelykh yader, edinstvennyi sposob sozdavat’ sverkhkriticheskie polya – stalkivat’ v uskoritelyakh tyazhelye iony. V takom stolknovenii kratkovremenno voznikaet sverkhsil’noe kulonovskoe pole, prevyshayushchee kriticheskoe znachenie. I zadacha teoretikov – predlozhit’, kakie parametry neobkhodimo izmerit’ v eksperimente, chtoby poluchennye rezul’taty pozvolili ubedit’sya v pravil’nosti sushchestvuyushchei KED teorii v rezhime sverkhkriticheskogo polya.

 

«Glavnaya problema v tom, kak otlichit’ v eksperimente spontannyi mekhanizm rozhdeniya elektron-pozitronnykh par, kotoryi voznikaet tol’ko v rezhime sverkhkriticheskogo polya, ot dinamicheskogo (indutsirovannogo), kotoryi proyavlyaetsya kak v do-, tak i v sverkhkriticheskikh polyakh,  – rasskazyvaet Shabaev. – Dinamicheskii mekhanizm yavlyaetsya dominiruyushchim, i perekhod v sverkhkriticheskii rezhim, kak v polnoi veroyatnosti rozhdeniya pozitronov, tak i v sootvetstvuyushchikh spektrakh, prakticheski ne zameten. V nastoyashchee vremya my rabotaem nad tem, kak mozhno pri stolknovenii dvukh tyazhelykh ionov otsledit’ signal imenno ot spontannogo rozhdeniya par. Ego poyavlenie budet svidetel’stvovat’, chto sistema pereshla v rezhim sverkhkriticheskogo kulonovskogo polya. Reshenie etoi fundamental’noi zadachi nevozmozhno bez razvitiya tekhniki teoreticheskikh raschetov vsekh tonkostei kvantovoi dinamiki elektron-pozitronnogo polya v nizkoenergeticheskikh stolknoveniyakh tyazhelykh ionov. Razvitie takoi tekhniki yavlyaetsya odnoi iz prioritetnykh zadach nashei gruppy i idet parallel’no s issledovaniyami v ramkakh bolee prostykh modelei».

 

Prakticheskie zadachi

Pomimo chisto fundamental’nogo interesa, izuchenie mnogozaryadnykh ionov imeet vazhnye metrologicheskie i prakticheskie primeneniya. Naprimer, uzhe pochti dva desyatiletiya vedutsya vysokotochnye eksperimenty po izmereniyu g-faktora mnogozaryadnykh ionov – otnosheniya magnitnogo momenta iona k ego mekhanicheskomu momentu. Iz eksperimenta mozhno opredelit’ etu velichinu s ochen’ vysokoi tochnost’yu – do 10 znakov, esli ne uchityvat’ pogreshnost’, proiskhodyashchuyu ot massy elektrona. So svoei storony, teoretiki mogut rasschitat’ g-faktor s takoi zhe tochnost’yu. Sravnivaya eti dva znacheniya, mozhno s ochen’ vysokoi tochnost’yu opredelit’ massu elektrona. «Blagodarya etim eksperimentam i sootvetstvuyushchim teoreticheskim raschetam, v kotorykh aktivno uchastvovali teoretiki s kafedry kvantovoi mekhaniki SpbGU, v 2002 godu tochnost’ opredeleniya massy elektrona byla uvelichena v 4 raza, a nedavno eshche na poryadok», – rasskazyvaet Shabaev.

 

Drugim primerom prakticheskogo primeneniya issledovanii mnogozaryadnykh ionov mozhet sluzhit’ nedavnyaya rabota, kotoraya pokazala, chto znachenie magnitnogo momenta izotopa vismuta-209, kotoryi godami byl propisan vo vsekh standartnykh tablitsakh, neverno. Predposylki k etoi rabote byli zalozheny v 1994 godu, kogda eksperimentatory v Darmshtadte smogli izmerit’ sverkhtonkuyu strukturu vodorodopodobnogo vismuta. Elektron v takom ione nakhoditsya ne tol’ko v sil’nom elektricheskom pole, no eshche i v sil’nom magnitnom pole, sozdavaemym magnitnym momentom yadra, – ono v 1000 raz bol’she, chem to, kotoroe mozhno sozdat’ v laboratorii. Esli izmerit’ i soschitat’ sverkhtonkoe rasshcheplenie v takoi sisteme, stanet vozmozhnym proverit’ KED v unikal’noi kombinatsii naibolee sil’nykh elektricheskogo i magnitnogo polei. No problema v tom, chto pretsizionnyi teoreticheskii raschet STS ne predstavlyaetsya vozmozhnym v silu bol’shoi pogreshnosti effekta, obuslovlennogo raspredeleniem magnitnogo momenta po yadru (effekt Bora–Vaiskopfa). Poetomu poluchit’ adekvatnoe teoreticheskoe predskazanie, neobkhodimoe dlya proverki KED, prakticheski ne udaetsya. V nachale 2000-kh Shabaev i kollegi predlozhili izmeryat’ sverkhtonkuyu strukturu ne tol’ko vodorodopodobnogo iona vismuta-209, no takzhe sootvetstvuyushchego litiepodobnogo iona. Pri vychislenii spetsial’noi raznosti poluchennykh znachenii pogreshnosti ot yadernykh effektov vzaimosokrashchayutsya.

 

Trebuemyi eksperiment byl proveden v Darmshtadte. «Eksperimentatory ochen’ dolgo, okolo 15 let, bilis’ nad nim, i v itoge im udalos’ izmerit’ oba rasshchepleniya s khoroshei tochnost’yu. I okazalos’, chto ikh rezul’tat ochen’ sil’no – priblizitel’no na 7s – raskhoditsya s teoreticheskimi predskazaniem», – rasskazyvaet Shabaev. On i ego kollegi s kafedry kvantovoi mekhaniki SPbGU zapodozrili, chto v standartnykh spravochnikakh propisano nepravil’noe znachenie magnitnogo momenta yadra vismuta-209. Eto znachenie izvlekaetsya iz eksperimenta po yadernomu magnitnomu rezonansu (YaMR) s vodnym rastvorom nitrata vismuta. Chtoby pravil’no interpretirovat’ eksperimental’nye dannye, neobkhodimo ochen’ tochno uchest’ vliyanie atomno-molekulyarnogo okruzheniya yadra vismuta.

 

«Etim zanimalis’ vedushchie zapadnye teoretiki, no kak vyyasnilos’, oni vse zhe uchli ego nepravil’no, – govorit Shabaev. – Sotrudnik kafedry kvantovoi mekhaniki SPbGU Leonid Skripnikov provel vse raschety zanovo i obnaruzhil, chto tochnyi raschet effekta molekulyarnogo okruzheniya dlya rassmatrivaemoi sistemy v nastoyashchee vremya nevozmozhen. Poetomu on predlozhil vypolnit’ YaMR-eksperiment na geksaftorvismutat (V) anione (BiF6-) v atsetonitrile, dlya kotorogo uzhe imelis’ eksperimental’nye dannye, no v nikh byli opredelennye protivorechiya. Nemetskie uchenye proveli novyi eksperiment dlya etoi molekuly, a fiziki-teoretiki iz SpbGU – sootvetstvuyushchii raschet atomno-molekulyarnoi ekranirovki. V rezul’tate bylo polucheno novoe znachenie magnitnogo momenta yadra vismuta-209. Kogda eto znachenie podstavili v teoreticheskie raschety STS, poluchennyi rezul’tat otlichno soglasovalsya s dannymi darmshtadtskogo eksperimenta».