Фізики провели рекордно точний вимір зарядового радіусу ядра гелію за допомогою лазерної спектроскопії. Для цього вони приєднали до ядра мюон, і поміряли у частоту, що утворився, 2S-2P переходу. Робота опублікована в .Прецизійна лазерна спектроскопія - це один з найточніших експериментальних методів у фізиці на сьогоднішній день. Вона заснована на пошуку і вимірюванні резонансів атомних переходів з дуже маленьким кроком. Точність, що збільшується, з певного моменту дозволила помічати вплив розміру атомних ядер на резонансні частоти, і, відповідно, вимірювати цей розмір.
Ця ідея отримала новий розвиток, коли фізики навчилися застосовувати методи лазерної спектроскопії до мюонних атом. Мюон - це частинка, яка повністю подібна електрону, за винятком кінцевого часу життя і маси, що більш ніж в 200 разів перевищує масу електрона. Більша маса означає менший радіус орбіти, і, як наслідок, хвильова функція мюона перекривається з хвильовою функцією ядра майже в 8 мільйонів разів більше. Цей факт суттєво збільшив точність у визначенні розмірів різних ядер, що призвело до виявлення у 2010 році розбіжностей у радіусах протона, отриманих на звичайному та мюонному воднях. Детальніше про цю проблему ви можете прочитати в нашому матеріалі «Щілина в обладунках».
У пошуках рішення загадки радіусу протону фізики почали активніше досліджувати найпростіші ядра, такі як протон, дейтрон і альфа-частинку. І якщо розміри перших двох ядер вже були вимірені за допомогою лазерної спектроскопії, то інформацію про розмір ядра гелію до недавнього часу отримували тільки за допомогою розсіювання електронів. Цю прогалину вирішила закрити група фізиків з дев'яти країн за участю Альдо Антоньїні (Aldo Antognini).
Ядро гелію - або альфа-частинка - складається з двох протонів і двох нейтронів. Воно займає особливе місце в ядерній фізиці. Це найлегше двічі магічне ядро, а тому воно стабільне і дуже поширене у Всесвіті. Більша енергія зв'язку по відношенню до близьких по масі немагічних ядрів призводить, наприклад, до того, що, що розмір ядра гелію на 20 відсотків менше, ніж розмір дейтрона, який складається всього лише з одного протона і одного нейтрона. Крім того, парність всіх нуклонів призводить до взаємної компенсації їх орбітальних і спинових моментів. Завдяки цьому енергетичні рівні атомів та іонів гелію не відчувають ніякого надтонкого розщеплення, що істотно спрощує інтерпретацію спектрів.
Для отримання мюонних атомів команда фізиків використовувала найпотужніше у світі джерело повільних мюонів, розташоване в Інституті Пауля Шеррера, Швейцарія. Пучок, інтенсивністю приблизно 500 мюонів на секунду, гальмувався об газ атомів гелію, що знаходиться в камері при низькому тиску (2 мільбари) і кімнатній температурі. Ударяючись з атомами, мюони втрачають енергію, і, будучи захопленими ядрами гелію, зупиняються, заміщаючи при цьому електрони. Зрештою в камері утворюються збуджені водневоподібні іони гелію з одним мюоном, які через деякий час релаксують. Більшість іонів переходить в основний 1S стан, проте сота частина затримується на метастабільному 2S стані, який і використовувався в експерименті. Зокрема, автори роботи вимірювали частоту переходу такого атома зі стану 2S в стані 2P1/2 (лембовське зрушення) і 2P3/2, а потім зіставляли результат з теоретичними формулами, які містять зарядовий радіус в якості невідомої змінної.
Чудовою особливістю роботи експериментаторів стала система контролю подій, яка дозволяє достовірно сказати, що фізики зафіксували саме описані вище процеси, а не що-небудь ще. Вона починається з детектора мюонів, який ставиться перед камерою з гелієм і дозволяє реєструвати кожну частинку, що влітає. Після чого, система вичікує деякий малий час, потрібне, щоб відбулися всі процеси з утворенням мюонного іону в 2S стані, а потім вистрілює імпульсом з перебудовуваного лазера. Якщо в результаті цього стався перехід на 2P рівень, то через якийсь час система за допомогою лавинних фотодіодів повинна зафіксувати рентгенівський фотон з енергією 8,2 кілоелектронвольта, який свідчить про релаксацію іона. Нарешті, через ще деякий проміжок часу повинен бути зафіксований високоенергетичний електрон, утворений після розпаду мюону. Тільки при одноразовій фіксації всіх зазначених частинок система вважає подію такою, що відбулася. На практиці виявилося, що навіть на частоті резонансу система фіксувала в середньому вісім потрібних подій на годину, відрізняючи їх від майже 50 000 подій, що відповідають іншим атомним процесам в установці.
В результаті експерименту та обліку всіх похибок автори отримали значення зарядового радіусу ядра гелію, рівного 1,67824 (83) фемтометра. Воно знаходиться в хорошій згоді з числом, отриманим раніше в експерименті з упругого розсіювання електронів на альфа-частинках, але перевищує його в точності майже в п'ять разів. Уточнений радіус у свою чергу може бути використаний для поліпшення моделей в майбутній серії експериментів з розсіювання.
Отриманий результат, однак, важливий в першу чергу для теоретичної фізики. Справа в тому, що на сьогоднішній день, у нас немає повної теорії, яка дозволяє пов'язувати властивості ядер з кварковою структурою окремих нуклонів. Це відрізняє ядерну фізику від атомної, де головну роль відіграє електромагнітна взаємодія, і властивості атомів можуть бути передбачені шляхом вирішення рівнянь квантової механіки з перших принципів. Замість цього фізики використовують так звані «ефективні теорії», в яких частина процесів не описується, а замінюється кількома ключовими параметрами. Уточнене значення радіусу альфа-частинки дає нову інформацію про ці параметри.
Нарешті, отриманий результат дозволяє обмежити, або спростувати нові теорії, які описують ефекти за межами Стандартної моделі. Такі теорії виникли як одна зі спроб вирішення загадки радіусу протона. Однак недавні експерименти, що зменшили розбіжність мюонних і водневих значень цього радіусу, свідчать про те, що її рішення потрібно шукати швидше в апаратній частині, ніж в теорії.
Гелій не вперше приходить на допомогу вченим. Ми вже писали про те, як рідкий гелій хотіли використовувати для пошуку темної матерії. А зовсім недавно дімер гелію допоміг побачити хвилі в квантовому гало.