Команда китайських і канадських фізиків перерахувала частоту переходу (17,16)→(16,15) у піонному гелії з точністю до чотирьох частин на мільярд. Нові розрахунки перевищують за точністю попередні, а також обіцяють підвищення на 2-3 порядки точність вимірювання маси піонів у майбутніх експериментах. Свої теоретичні квантово-електродинамічні розрахунки вчені представили у журналі Physical Review Letters.
Max Planck Institute of Quantum Optics / Thorsten Naeser
Що таке піонний гелій?
Протони та нейтрони, з яких складаються атомні ядра у звичайній матерії, складаються з трьох кварків. Разом їх утримує сильна взаємодія – одна з чотирьох фундаментальних взаємодій. Кварки мають частинку-двійник - антикварк. З них теж можуть складатися частинки, а зокрема з пари кварк-антикварк складаються мезони. Серед усіх мезонів заряджені піони або пі-мезони (за грецькою літерою π) є найбільш довгоживучим і найбільш стабільним їх різновидом.
Проте «стабільний» — доволі відносне поняття щодо частинок і час життя зарядженого піона складає лише 40 мільйонних секунди або 26 наносекунд. Такий короткий час життя піонів є значною перешкодою для фізиків-експериментаторів і досліджувати його стає набагато складніше. А при цьому враховуючи, що піони мають найменшу масу серед мезонів, їх можна використовувати для перевірки моделей сильної взаємодії — приблизно так само, як фізики використовують атом водню як найпростішого представника хімічних елементів.
Обійти це обмеження можна за допомогою екзотичних атомів. На відміну від звичайних, де носіями заряду є електрони та протони, в екзотичних їх замінюють інші елементарні частинки. Ми вже розповідали про один такий – мюонний гелій, у якому електрони замінили на важчі мюони і так змогли уточнити зарядовий радіус ізотопу гелій-4. І з піонами можна зробити приблизно те саме: замінити один з електронів в атомі гелію піоном та в результаті отримати піонний гелій. У нього, порівняно з іншими частинками, аномально великий час життя у наносекундному масштабі, що дозволить працювати методами лазерної спектроскопії. А отже і експериментально визначити різні властивості мезонів, у тому числі їхню масу та особливості їхньої взаємодії з іншими частинками.
Що рахували фізики?
У попередніх експериментальних дослідженнях фізикам Інституту Пауля Шеррера вдалося отримати атоми піонного гелію-4 у зіткненнях піонів з гелієвою мішенню.
Більшість піонів, які утворили при опроміненні графіту прискореними протонами, влітаючи у мішень, врізаються в ядро гелію, внаслідок чого гелій розпадається на протон, нейтрон і дейтрон протягом приблизно пікосекунди. Але приблизно 2 відсоткам частинок з потоку вдається змістити один із двох електронів гелію і вийти на слабко пов'язану орбіту навколо ядра. Тоді час для дослідження перед тим, як ядро гелію поглине піон і розпадеться, зросте до масштабів наносекунди. І тоді вдасться використати метод лазерної спектроскопії. Скануючи частоту свого лазерного променя, дослідники встановили, що досліджуваний перехід стався на частоті 183 760 гігагерців.
У ході цього експерименту вчені спостерігали перехід (17,16) → (17,15), де перше число - це квантове число n, а друге - орбітальне l. Однак для цього переходу на частоті близько 100 гігагерців лінія розширюється через атомні зіткнення, що призводять до збурення енергетичних рівнів і зміщують резонансну частоту. Це і не дозволяє експериментам досягти більш високої точності. Тому в майбутніх експериментах фізики Інституту Пауля Шеррера планують взятися за перехід (17,16)→(16,15), що потенційно може підвищити точність як мінімум на три порядки.
І власне у контексті цих планів фізиків-експериментаторів, автори цього дослідження, фізики-теоретики зокрема з Китайської академії наук та Університету Нью-Брансвіка, що у Канаді, взялися за зменшення відносної похибки в обчисленні частоти цього переходу.
Що вдалося вирахувати?
Мета цього дослідження – представити квантово-електродинамічні розрахунки для частот деяких переходів у піонному гелії, зокрема для переходу (17,16) → (16,15). Враховуючи невраховані раніше для піонного гелію у розрахунках поправки четвертого та п'ятого порядків, вдалося обчислити частоту переходу як 1 125 306,339 4(45) гігагерц. У розрахунках також врахували ефекти від зіткнень між піонним гелієм та гелієм-мішенню, які склали 1,14x10-8 герца. У результаті ця робота, як розраховують вчені, має допомогти покращити вимірювання значення маси піонів у майбутніх експериментах на 2–3 порядки.