Фізики з колаборації Mu-MASS представили дані щодо уточненого значення лембовського зрушення в мюонії. Результат виявився у згоді з розрахунками квантової електродинаміки і дозволив накласти додаткові обмеження на Нову фізику. Робота опублікована в.
Лембовське зрушення - це частина енергій атомних рівнів, які не може пояснити релятивістська квантова механіка. Основний внесок у лембовське зрушення виходить від взаємодії атома з вакуумом, що виражається в народженні і знищенні віртуальних частинок. Для опису цих процесів була розроблена квантова електродинаміка, що стала еталоном для інших типів взаємодії.
Квантова електродинаміка відома своєю точністю. Відповіддю з боку експерименту стали надточні вимірювання енергетичних рівнів атомів, у тому числі і екзотичних. Зрештою обох точностей стало достатньо, щоб врахувати вплив кінцівки розміру ядра. Останнє десятиліття у фізиці водоподібних атомів пройшло в пошуку рішення загадки радіусу протона, яка полягала в тому, що розміри протона, одержувані за допомогою спектроскопії звичайного і мюонного водню, відрізняються на чотири відсотки. Докладніше про це можна дізнатися з матеріалу «Щілина в обладунках».
Однак для перевірки квантової електродинаміки інтерес становлять суто лептонні атоми, в яких немає необхідності враховувати розмір ядра. До таких можна віднести позитроній (електрон + позитрон) і мюоній (антимюон + електрон). Так, недавні експерименти з спектроскопії позитронію виявили розбіжність з теорією, що перевищує чотири стандартних відхилення. Мюоній ще краще підходить для таких експериментів, оскільки його час життя істотно більший, ніж у позитронія. Однак виконані вимірювання лембовського зрушення в мюонії страждали від невеликої точності через відсутність високоякісних джерел антимюонів з низькими енергіями.
У наші дні таке джерело було створене в Інституті Пауля Шерера, в якому працює колаборація Mu-MASS, що спеціалізується на лазерній спектроскопії мюонію. Колаборація, до складу якої також входять фізики зі Швейцарської вищої технічної школи Цюріха і Фізичного інституту імені Лебедєва РАН (ФІАН), представила результати вимірювання лембівського зрушення рівня мюонію з = 2. Їм вдалося поліпшити точність експерименту на порядок порівняно з попередніми дослідженнями і накласти більш суворі обмеження на порушення лоренц- і CPT-інваріантності в мюонному секторі, а також на Нову фізику мюон-електронної взаємодії.
Під час експерименту потік антимюонів з інтенсивністю 2 доль 108 частинок на секунду і енергією 28 мегаелектронвольт гальмувався в неоновому уповільнювачі до енергій 20 електронвольт. Після фільтрації частинки фокусувалися на 10-нанометрову вуглецеву фольгу. При цьому, як утворювалися атоми мюонію, так і вибивалися електрони, які сигналізували про цю подію.
11 відсотків народжуваного таким шляхом мюонію виявлялося в метастабільному 2S стані, чий час життя, що дорівнює 0,12 секундам, багато більше, ніж час життя самого мюонію, що дорівнює 2,2 мікросекундам. Тому фізики прикладали атомам, які досягли камери реєстрації, додаткове електричне поле напруженістю 250 вольт на сантиметр, щоб перемішати 2S стан з короткоживучими 2P подуровнями. В результаті атоми релаксировали за кілька наносекунд з випусканням лінії Лайман-альфа. Ці фотони потрапляли на детектор і ініціювали другу сигнальну подію. Нарешті, дорогою до камери реєстрації мюоній опромінювався мікрохвильовим випромінюванням, яке, будучи налаштованим на резонанс 2S1/2 ‑ 2P1/2, призводило до депопуляції рівня 2S і, як наслідок, до зменшення Лайман-альфа сигналу. На виході з установки стояли времяпролетні детектори, сигнали з яких також враховувалися при сортуванні кандидатів.
Після калібрування всіх систем, автори сканували діапазон мікрохвильового випромінювання і стежили за падінням Лайман-альфа сигналу. При цьому враховувалися тільки ті події, які відповідали збігу всіх трьох сигналів. Для простоти обробки спектра і збільшення точності фізики збіднювали надтонкий подуровень 2S F = 0 додатковим мікрохвильовим імпульсом. У результаті вимірений спектр складався з двох компонент, параметри яких були витягнуті з апроксимації. З урахуванням надтонкої структури 2P1/2 рівня, а також всіх статистичних і систематичних похибок, виміряний лембівський зсув виявився рівним 1047,2 2, 3stat 1, 1syst мегагерц.
Результат виявився в хорошій згоді з теоретичними обчисленнями. Це дозволило вченим накласти ряд обмежень на Нову фізику. Зокрема, вони перевизначили параметри порушення лоренц-інваріантності і CPT-симетрії для мюонних процесів. Також фізики обмежили властивості нових гіпотетичних калібрувальних бозонів, запропонованих для пояснення сильної аномалії в експерименті Muon g-2, про яку ми не так давно розповідали.