Лазер научили сжимать и растягивать облака атомов
Израильские ученые обнаружили новый способ воздействия на атомы с помощью лазерного излучения. Метод, получивший название электрострикции, позволяет изменять форму атомарных облаков за счет коллективной силы отдачи, возникающей при фокусировке излучения атомами. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Лазерное излучение давно применяется для управления как отдельными атомами, так и их множеством. В простейшем случае при столкновении кванта света (фотона) с атомом, последний испытывает отдачу и приобретает скорость в направлении распространения излучения. Более тонкий метод воздействия на атомы используется в оптических пинцетах, основанные на взаимодействии атомов с электрическим полем оптической волны. Такое взаимодействие приводит к «скатыванию» атомов в области минимума их потенциальной энергии, которые совпадают с областями максимума лазерной интенсивности.
В опубликованной работе авторы утверждают, что им удалось обнаружить новый метод воздействия на атомы при помощи лазерного излучения. Идея заключается в том, что при распространении излучения в облаке, состоящем из многих атомов, оно будет испытывать преломление и фокусироваться — аналогично тому, как свет фокусируется в линзах. Но если изменяется направление распространения света, то следовательно, изменяется и направление связанного с ним импульса. Тогда по закону сохранения импульса должна существовать сила, действующая со стороны лазерного излучения на атомы и приводящая к уширению облака в поперечном направлении.
Эта идея была подтверждена экспериментально. Лазерный импульс пропускался через практически сферическое облако атомов рубидия-87, пойманных в ловушку и находившихся в состоянии конденсата Бозе — Эйнштейна при температуре около 400 нанокельвинов (то есть чуть меньше чем на пол-миллионную долю градуса выше абсолютного нуля). Общее количество пойманных атомов составляло один миллион. Лазерный импульс имел длину волны 780 нанометров, что соответствует красному свету. При этом он был значительно отстроен по частоте от резонансных частот атомов, чтобы исключить значительное взаимодействие с отдельными атомами. Длительность импульса составляла пол-миллисекунды, а его мощность — 8 Вт/см². При этом ширина лазерного пучка и атомарного облака составляли приблизительно один миллиметр.
В результате взаимодействия облако значительно меняло свою форму, расширяясь в несколько раз в поперечном направлении и одновременно значительно сжимаясь в продольном. Сравнение экспериментально полученных параметров облака совпало с теоретическими ожиданиями. Наблюдавшийся эффект сохранялся и при других значениях интенсивности и длительности лазерного импульса, а также при более высоких температурах облака — до 1,1 микровельвина — при которых Бозе-конденсация отсутствовала.
Поскольку эффект является коллективным, то есть представляет собой взаимодействия лазерного излучения с большим количеством атомов, а не с каждым из них отдельным, это означает, что излучение индуцировало некое эффективное взаимодействие между атомами. Авторы полагают, что предложенный ими метод станет важным инструментом для изучения физики холодных атомов, поскольку позволяет оптическим путём относительно тонко настраивать силу этого взаимодействия.
Артем Коржиманов
Редкий процесс рассмотрели в совместном массиве данных экспериментов CMS и ATLAS
На Большом адронном коллайдере впервые нашли убедительные следы редкого распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Его увидели со статистической точностью в 3,4σ в объединенных данных экспериментов CMS и ATLAS по протон-протонным столкновениям за 2015-2018 года. Обнаруженный сигнал совпал с предсказаниями Стандартной модели, но в будущем подробное изучение распада поможет в поиске различий между теорией и экспериментом. О своих результатах физики рассказали на конференции LHCP-2023, подробнее об открытии сообщается в сопровождающей записке. Бозон Хиггса — знаменитая элементарная частица, объясняющая существование инертной массы у ряда частиц Стандартной модели. Существование этой частицы теоретически предсказал Питер Хиггс еще в 1964 году, а в 2012 году ее обнаружили эксперименты CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса стал последней экспериментально открытой частицей Стандартной модели, но на этом его исследование не закончилось. Те же самые ATLAS и CMS продолжили изучать свойства бозона, в числе которых — каналы его распада и сила его взаимодействия с другими частицами. Почти все предсказываемые Стандартной моделью свойства бозона Хиггса удалось подтвердить. Но некоторые из распадов этой частицы чрезвычайно редкие, поэтому чтобы увидеть и изучить их необходимо накопить особенно большой массив экспериментальных данных. Один из таких распадов — канал в один переносчик слабого взаимодействия Z-бозон и один фотон. Согласно теории, для бозона Хиггса с массой в 125 гигаэлектронвольт доля этого распада среди всех остальных — примерно 0,15 процента. Именно в такие редкие распады физики изучают в поисках расхождения экспериментальных данной со Стандартной моделью, у которой не получается объяснить ряд проблем в современной физике. Отклонение вероятности такого распада от стандартных теоретических предсказаний могло послужить аргументом в пользу моделей, в которых бозон Хиггса на самом деле нейтральный скаляр или сложная частица. Это же может указать на правдивость теорий с дополнительными еще не открытыми бесцветными заряженными частицами, которые взаимодействуют с бозоном Хиггса через петлевые поправки. Теперь же ученым впервые удалось рассмотреть распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон в результатах экспериментов CMS и ATLAS. Физики проанализировали данные, накопленные за 2015-2018 года в ходе протон-протонных столкновений при энергии в системе центра масс в 13 тераэлектронвольт. Z-бозон искали через продукты уже его распада на мюонную или электрон-позитронную пару с массой больше 50 мегаэлектронвольт. Сам распад идентифицировали через пик инвариантной массы пары Z-бозона и фотона в окрестности массы бозона Хиггса — 125 гигаэлектронвольт. Для увеличения чувствительности анализа данных к изучаемому распаду все события-кандидаты разделяли на несколько категорий в зависимости от канала рождения бозона Хиггса, накладывали ограничения на кинематику продуктов распада, а также использовали машинное обучение. В результате физики увидели искомый распад со статистической точностью в 2,2σ для данных ATLAS и 2,6σ для данных CMS, что в сумме дало статистическую точность в 3,4σ. Также ученые оценили силу сигнала µ — отношение наблюдаемого в эксперименте произведения сечения и вероятности распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон к предсказываемому Стандартной моделью значению. Полученное значение µ = 2.2 ± 0.7 хоть и говорит о результате в два раза больше теоретических предсказаний, но из-за высокой погрешности согласуется с теорией со статистической точностью в 1,9σ. При этом доля изучаемого распада бозона Хиггса среди других его распадов оказалась равной (3.4 ± 1.1) × 10−3. Таким образом, для проверки предсказаний Стандартной модели в данном канале распада все еще требуется больше экспериментальных данных. Это далеко не первый редкий распад бозона Хиггса, который зарегистрировали на Большом адронном коллайдере. К примеру, ранее те же эксперименты CMS и ATLAS увидели канал распада на два мюона. А о том, как и почему для изучения таких редких распадов собираются строить электрон-позитронную хиггсовскую фабрику, можно почитать в нашем материале «100 ТэВ на перспективу».