Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии (ВНИИМ)
им. Д. И. Менделеева (Санкт-Петербург)

Отдел 202: Теоретической и квантовой метрологии
Сектор 2021: Прецизионной физики и метрологии простых атомных систем


Оглавление
Новости
- 2005
- 2004
- Все новости
Об этой странице
О секторе
Научная работа
- Научные интересы
- Научные проекты
- Научное сотрудничество
- Гранты
Физика простых атомов и ее приложения
(Путеводитель по простым атомам)
- Простые атомные системы
- Уровни энергии в простых атомах
- Прецизионная физика простых атомов
- Приложения  к метрологии
- Квантовая электродинамика
- Логарифмические поправки
- Оптические переходы в водороде
- Поиски изменения констант
Публикации группы
- Книги
- Статьи в журналах
- Электронные препринты
- Все публикации
Конференции
- Конференции по простым атомам
- Конференции по изменению констант
Адрес и контактная информация
Home page
 
 
Простые атомные системы

В нашей группе проводятся теоретические исследования в области физики простых атомов и мы также участвуем в нескольких совместных экспериментальных проектах (см. также  публикации, препринты, научные интересы, проекты, сотрудничество). Теоретическая работа заключается в прецизионных расчетах спектров простых атомных систем. Заряд ядра Z, в основном, предполагается малым (Z = 1,2), как и количество электронов. В частности, мы изучаем водородоподобные атомы, то есть атомные системы, состоящие из двух частиц. Различаются “обычные” (или электронные) атомы, состоящие из электрона и ядра; мюонные атомы, в которых роль электрона играет мюон; мезоатомы (электрон заменен на мезон; наибольшей точности экспериментаторам удалось добиться в исследованиях пионных атомов) и экзотические атомы (где и электрон, и обычное ядро заменены на другие частицы). Несколько особняком стоит антиводород. Как и экзотические атомы, он искусственно сформирован из двух частиц, отсутствующих в обычном веществе: антипротона и позитрона, и поэтому доступен для измерений лишь в ничтожных количествах. С другой стороны, в отличие от всех других “необычных” атомов он стабилен. В последнее время значительно усилился интерес к антипротонным атомам вообще.

Ниже перечислены некоторые из простых атомов, теоретические расчеты для которых нами проводятся или проводились ранее (см. также  публикации, препринты, научные интересы, проекты, сотрудничество).



Водород, связанная система протона и электрона, - наиболее детально изученный атом. Его ядро, протон, в отличие от электрона, является адроном, то есть частицей, подверженной сильным взаимодействиям. Свойства адронов не поддаются чисто теоретическому анализу, но могут быть измерены. Водород - это более простой из двух стабильных нейтральных двухчастичных атомов, содержащих ядро и единственный электрон. Стабильность атома позволяет в полной мере воспользоваться важным свойством 2s уровня - его метастабильностью. Последняя возникает из-за невозможности однофотонных E1 (электрических дипольных) переходов, которые ответственны за распады всех остальных возбужденных состояний в этом атоме, и большинства возбужденных состояний в остальных атомах. 2s состояние переходит в основное за счет излучения двух фотонов. Важным для некоторых приложений является то, что атом водорода - самый распространенный атом во Вселенной. В частности, исследование спектров различных удаленных астрономических объектов (например, квазаров), находящихся от нас на больших расстояниях, позволяет наблюдать атомы из далекого прошлого и оценивать таким образом возможные изменения фундаментальных физических констант.


Дейтерий - другой стабильный нейтральный двухчастичный атом, который отличается от водорода ядром (дейтроном). Это ядро имеет более сложную структуру, и является единственным ядром, состоящим из двух нуклонов (протона и нейтрона). Дейтрон, будучи сравнительно слабосвязанной системой, допускает феноменологические расчеты своих характеристик в терминах свойств протона и нейтрона. Еще один изотоп водорода, тритий, оказывается нестабильным, но, тем не менее, некоторые прецизионные измерения и в этом случае были успешно проведены.


Мюоний представляет собой еще один аналог водорода. В отличие от протона, ядро мюония (положительно заряженный мюон) является лептоном, то есть слабо взаимодействующей частицей. Мюон не имеет структуры, а его свойства, такие как аномальный магнитный момент, могут быть рассчитаны. Мюон - нестабилен и живет приблизительно 2 микросекунды. Это создает существенную проблему, поскольку наиболее прецизионные эксперименты возможны только с холодными атомами и при охлаждении значительная часть атомов успевает распасться еще до начала собственно измерения.


Позитроний также является чисто лептонным атомом. Он состоит из двух стабильных частиц (электрона и его античастицы – позитрона) и оказывается нестабильным вследствие аннигиляции, то есть превращения связанной электрон-позитронной пары в два или три фотона. Число фотонов зависит от полного спина позитрония: основное состояния парапозитрония (полный спин электрона и позитрона равен нулю) распадается на четное число фотонов, тогда как ортопозитроний (полный спин – единица) распадается в основном состоянии на нечетное число фотонов (три и более, так как однофотонный распад невозможен вследствие закона сохранения энергии и импульса). Время жизни позитрония на несколько порядков короче, чем мюония, однако, его существенно проще создать и, следовательно, обеспечить высокую статистическую точность. Преимуществом является то, что гораздо легче приготовить мощный источник медленных стабильных позитронов, чем нестабильных мюонов. Такой источник возможен даже без ускорителей, за счет радиоактивного источника с высокой бета-активностью. Особенностью позитрония является черзвычаная легкость ядра. С одной стороны, это означает, что эффекты отдачи значительно легче увидеть в спектре атома, с другой стороны, легкость атома затрудняет его охлаждение и усиливает эффект Допплера.

Однозарядные ионы гелия оказываются наиболее легкими водородоподобными ионами. Ядро гелия-4 (альфа-частица) не имеет спина, тогда как ядро гелия-3 имеет спин 1/2, и поэтому они используются в разных экспериментах. Так, в гелии-4 измеряется лэмбовский сдвиг, тогда как в гелии-3 главный объект исследований – сверхтонкое расщепление. С экспериментальной точки зрения, ион существенно отличается от нейтрального атома и они, как правило, исследуются существенно разными способами и, иногда, с достаточно разной точностью. Например, сверхтонкое расщепление основного уровня 1s и лэмбовский сдвиг в ионе гелия измеряется менее точно, чем в водороде и дейтерии, тогда как сверхтонкое расщепление возбужденного состояния 2s известно с более высокой экспериментальной точностью. Ядро гелия-3, как и ядро трития, являются трехчастичными ядерными системами и их характеристики, полученные средствами атомной спектроскопии, представляют интерес для ядерной физики. Ядро гелия-4 также представляет большой интерес как пример полностью заполненной оболочки.

Мюонные атомы - это атомные системы, в которых один из электронов (возможно – единственный) заменен на отрицательно заряженный мюон. Такие атомы нестабильны ввиду нестабильности мюона. Наиболее простыми примерами являются мюонный водород (отличается от обычного водорода заменой электрона на отрицательно заряженный мюон), мюонный дейтерий и мюонный гелий. Различаются ион гелия (двухчастичная система из ядра и отрицательного мюона) и нейтральный мюонный гелий (трехчастичная система: ядро – мюон – электрон). Проблема с охлаждением атомов для прецизионных измерений - та же, что и в случае мюония. Важным обстоятельством является то, что боровская орбита мюона лежит существенно ниже электронной и поэтому спектр мюонных атомов более чувствителен к структуре ядра. Сравнительно невысокая (по сравнению с обычными атомами) точность измерений тем не менее может дать и, в ряде случаев, дает достаточно информации об атомном ядре.

Экзотические атомы, как правило, нейтральные, состоят из двух нестабильных частиц. В частности, к ним относятся пионий (связанная система пион-антипион) и димюоний (связанная система мюон-антимюон). Интерес к пионию продиктован желанием измерить некоторые параметры сильных взаимодействий. Для этого необходимо отделить ту часть поправок, которая связана с квантовой электродинамикой.

В некоторых случаях удается провести вычисления для умеренных значений заряда ядра Z или даже для произвольных Z без разложения по параметру  (так называемые “точные” расчеты). В последнем случае аналитические вычисления возможны лишь при рассмотрении точечного ядра, что допустимо лишь для умеренных значений Z.

Следует отметить, что исследование ряда “необычных” атомов уже имеет историю в несколько десятилетий и в последние годы наметилась тенденция к действительно прецизионным исследованиям многих из них. Исследование различных адронных атомов (мезоатомов, антипротонных и экзотических атомов) представляет собой новое направление экспериментальной физики сильных взаимодействий - спектроскопическое. Спецификой спектроскопических экспериментов является то, что часто трудно создать подходящий спектроскопический источник и детектировать сигнал, однако, если измерение проведено – оно оказывается высокоточным. Спектроскопические измерения с низкой точностью - в некотором смысле просто невозможны.

На организованных нами международных конференциях по простым атомам, были представлены исследования всех этих атомов, а также ряда других: нейтрального гелия, нейтрального антипротонного гелия (один из электронов в атоме гелия заменен на антипротон), пионных атомов, антиводорода и др.


Последняя модификация: 06 декабря 2005 г. (С. Г. Каршенбойм)