Доказательный эксперимент для проверки квантовой электродинамики сильного поля с экзотическими атомами
Международное сотрудничество исследователей, в том числе Института физики и математики Вселенной им. Кавли (Kavli IPMU), успешно провело эксперимент по проверке квантовой электродинамики сильного поля с экзотическими атомами путем выполнения высокоточных измерений энергетического спектра мюонных характеристических рентгеновских лучей, испускаемых мюонными атомами с использованием современного рентгеновского детектора, сообщается в новом исследовании в Physical Review Letters.
Концептуальная диаграмма, показывающая мюонные атомы и квантово-электродинамические (КЭД) эффекты.
Предоставлено: RIKEN.
Результаты группы — значительный шаг к проверке фундаментальных физических законов в условиях сильных электрических полей, которые человечество еще не смогло создать искусственно. Ожидается, что высокоэффективный и точный метод определения энергии рентгеновского излучения с использованием современной квантовой технологии, продемонстрированный в этом исследовании, будет применяться в различных областях исследований, таких как методы неразрушающего элементного анализа с использованием мюонных атомов.
Открытие физических законов всегда было мечтой ученых. Они были найдены или предложены для объяснения наблюдаемых явлений, которые не могут быть поняты существующими теориями. Во многих случаях открытие новой физики требует разработки новых экспериментальных методов и повышения точности измерений. Наиболее точно проверенной теорией физических законов является квантовая электродинамика (КЭД), которая описывает микроскопические взаимодействия между заряженными частицами и светом. Ученые постоянно раздвигают границы того, насколько точно КЭД описывает нашу физическую реальность.
В этой статье сотрудники коллаборации ввели низкоскоростной пучок отрицательных мюонов из установки J-PARC в газообразный неон, а энергия характеристического рентгеновского излучения, испускаемого образующимися атомами мюонного неона (Ne), была точно измерена с использованием сверхпроводящего переходного датчика. Детектор Edge Sensor (TES). Благодаря полному использованию превосходного энергетического разрешения детектора TES энергия характеристического рентгеновского излучения мюонов была определена с абсолютной неопределенностью менее 1/10 000, а вклад поляризации вакуума в квантовую электродинамику сильного поля был успешно подтвержден с высокой точностью 5,8 %.
Детектор TES изначально разрабатывался для космических рентгеновских наблюдений. Текущий проект Такахаши в Kavli IPMU заключается в проведении беспрецедентных междисциплинарных исследований с использованием этого детектора. В его команду входят ассистент проекта Kavli IPMU профессор Синитиро Такеда, исследователь проекта Михо Кацурагава и аспирант Кайри Майн, принимавший участие в экспериментах с мюонами.
Ожидается, что демонстрация коллаборацией экспериментальной техники с использованием мюонных атомов приведет к большому прорыву в изучении проверки КЭД в сильных электрических полях.
Подробности исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Эффекты КЭД более выражены в средах с сильными электрическими полями, но теоретические расчеты в этом случае усложняются. Поэтому сильное электрическое поле очень важно для проверки КЭД. В течение многих лет эксперименты с использованием высокозарядных ионов (HCI), которые представляют собой атомы, лишенные нескольких электронов, проводились как подход к созданию среды с сильным электрическим полем.
Электрическое поле, ощущаемое связанными электронами в HCI, становится сильнее по мере увеличения атомного номера, а эффект экранирования подавляется за счет отрыва многих электронов. Исследования HCI с использованием больших ускорителей все еще активно проводятся. Однако даже для HCI с большими атомными номерами нельзя не учитывать влияние конечного размера ядра. Было указано, что этот эффект точно не известен, и поэтому точность проверки КЭД, которая сравнивает экспериментальные результаты с теорией, сильно скомпрометирована.
Чтобы проверить КЭД в сильных электрических полях иначе, чем с HCI, международные исследовательские группы сосредоточились на «экзотических атомах», в которых отрицательно заряженная частица связана с ядром вместо электрона. Среди множества экзотических атомов мюонные атомы состоят из отрицательных мюонов (элементарных частиц примерно в 200 раз тяжелее электронов) и ядер.
В настоящее время отрицательные мюоны можно извлекать в виде пучков больших ускорителей. Мюонные атомы характеризуются чрезвычайно близкой близостью отрицательного мюона к ядру, при этом радиус орбиты связанного мюона составляет примерно 1/200 радиуса связанного электрона.
В результате электрическое поле, ощущаемое мюоном, примерно в 40 000 раз сильнее, чем электрическое поле, ощущаемое связанным электроном того же квантового уровня в HCI, что приводит к огромному эффекту КЭД. Кроме того, используя отрицательные мюоны, занимающие квантовые уровни с высоким угловым моментом и мало перекрывающиеся с ядром, можно проводить эксперименты, в которых в значительной степени подавляется влияние конечного размера ядра. Точно измеряя энергию мюонных характеристических рентгеновских лучей, испускаемых при девозбуждении мюонных атомов с определенного уровня на более низкие уровни, можно проверить КЭД в сильном электрическом поле (рис. 1).
Рисунок 1. Концептуальная схема, показывающая мюонные атомы и квантово-электродинамические (КЭД) эффекты. В мюонном атоме отрицательный мюон (μ^-) связан с ядром и вращается вокруг него. Согласно квантовой электродинамике, связанный отрицательный мюон продолжает свое орбитальное движение, многократно испуская и поглощая виртуальные фотоны (собственная энергия: SE). Кроме того, между ядром неона (Ne^10+) и отрицательным мюоном существует электростатическое притяжение, и фотоны, распространяясь за счет этого взаимодействия, непрерывно повторяют рождение и аннигиляцию виртуальных электрон-позитронных (e^±) пар (поляризация вакуума : ВП). В этом исследовании мы точно измерили энергию мюонных характеристических рентгеновских лучей, испускаемых, когда отрицательное возбуждение мюона переходит в более низкое состояние.
Предоставлено: Окумура и др.
Таким образом, мюонные атомы являются многообещающей экспериментальной мишенью для проверки КЭД в сильном поле. Однако есть несколько проблем, которые необходимо преодолеть. Самый большой из них заключается в том, что некоторое количество мюонных атомов должно быть приготовлено в изолированной среде. Присутствие атомов или молекул вблизи мюонных атомов может вызвать быстрый перенос электронов и изменить энергию мюонных характеристических рентгеновских лучей. Решение состоит в использовании мишеней из разбавленного газа с небольшой плотностью (низкое давление), но количество образующихся мюонных атомов и результирующая интенсивность мюонных характеристических рентгеновских лучей уменьшаются.
Международная исследовательская группа провела эксперименты в Японском исследовательском комплексе протонных ускорителей (J-PARC) в Токай-мура, Ибараки, где доступен самый интенсивный в мире низкоскоростной мюонный пучок. Для того чтобы определить энергию с достаточной точностью даже при низкоинтенсивном мюонном характеристическом рентгеновском излучении, эксперимент был проведен с микрокалориметром со сверхпроводящим краевым датчиком (TES), который является высокоэффективным детектором рентгеновского излучения с высоким разрешением.
Рисунок 2. Спектр испускаемых мюонных характеристических рентгеновских лучей, испускаемых мюонными атомами неона (a) Мюонные характеристические рентгеновские лучи, испускаемые мюонными атомами неона, появляющимися около 6300 эВ при давлении неона в мишени 0,1 атм. Этот пик образован суперпозицией шести различных переходов. Энергия пика определялась с точностью до 0,002 % подгонкой по каждому вкладу. (b) Остатки (разница между теоретическими и измеренными значениями) от фитинга. Остатки достаточно малы, что свидетельствует о высокой точности подгонки.
Предоставлено: Окумура и др.
Используя атомы инертного газа неона (10Ne) в качестве мишени, они достигли энергетического разрешения, которое на порядок выше, чем у обычных полупроводниковых детекторов (FWHM [11]: 5,2 эВ) в условиях разбавления 0,1 атм и успешно измерили мюонные характеристические рентгеновские лучи (рис. 2). Показанные пики в основном обусловлены перекрытием мюонных характеристических рентгеновских лучей от шести различных переходов, а энергия мюонных характеристических рентгеновских лучей была определена с высокой точностью 0,002% путем анализа вкладов от каждого из них.
Рис. 3. Зависимость характеристической рентгеновской энергии мюонов от давления газа неона и сравнение с последними теоретическими расчетами.
Предоставлено: Окумура и др.
Они повторили измерения при изменении давления неоновой газовой мишени (рис. 3) и подтвердили, что энергия мюонных рентгеновских лучей постоянна в пределах ошибки эксперимента независимо от давления неоновой газовой мишени.
Таким образом, можно сделать вывод, что мюонные атомы неона находились в изолированном окружении. Они сравнили последние теоретические расчеты с экспериментальными результатами и подтвердили, что они совпадают в пределах погрешности эксперимента. Исследователям удалось проверить эффект поляризации вакуума в сильном электрическом поле с чрезвычайно высокой точностью 5,8%. Это сравнимо с точностью КЭД в сильном поле с использованием многозарядного иона урана U91+, которая на сегодняшний день является наиболее точным наблюдением.
