Суперпозиция электронного состояния изменила свойства тормозного излучения
Физики рассмотрели влияние квантовой интерференции на спектральные и пространственные свойства тормозного излучения при рассеянии электронов на атомах и наноондуляторах. Их расчеты показали, что придание состояниям налетающих электронов суперпозиционной формы способно влиять на направленность и монохроматичность тормозного излучения. Работа опубликована в Nature Communications, доступен также препринт.
Квантовая электродинамика (КЭД) – это наиболее успешный и точный раздел квантовой теории поля. Он описывает электромагнитное взаимодействие во всех его проявлениях и процессах, участниками которых являются в основном электроны, позитроны и фотоны.
Большинство КЭД-эффектов находят свое подтверждение в экспериментах по рассеянию частиц, будь то спектроскопия атомов или упругие столкновения. Начальные и конечные частицы при этом принято описывать состояниями с определенным импульсом, потому что, согласно квантовой механике, частица, которая достаточно долго летит без взаимодействия (например, в трубе спектрографа или в ускорителе), со временем стремится к такому состоянию. Это нашло свое отражение в том, что состояния с определенным импульсом лежат в основе вычислений, проводимых в КЭД.
Вместе с тем квантовая механика допускает состояния суперпозиции, в которых импульс частицы может быть неопределенным. Можно было бы ожидать, что суперпозиция состояний начальных частиц приведет к суперпозиции состояний конечных частиц и к соответствующим эффектам квантовой интерференции, однако такого никогда не наблюдалось в эксперименте. Причина этого в том, что интерференционные члены в сечении рассеяния зануляются из-за законов сохранения энергии и импульса.
Физики из Израиля, Сингапура и США при участии Томаса Кристенсена (Thomas Christensen) показали, что можно найти такой диапазон суперпозиционных состояний, при которых интерференционные члены останутся ненулевыми из-за одинакового баланса энергий и импульсов, и это повлияет на результат всего КЭД-процесса. Чтобы проверить свои догадки с помощью вычислений, они рассмотрели процесс тормозного излучения при рассеянии электрона на нейтральном атоме углерода и на наноондуляторе.
В качестве налетающей частицы авторы рассмотрели электрон в состоянии суперпозиции, состоящей из равной суммы двух состояний с определенным импульсом. Импульсы в обоих случаях равны по модулю, но отличаются по направлению на +15 и -15 градусов относительно оси рассеяния соответственно. Такие состояния можно получить голографическими методами в электронной микроскопии, либо с помощью бипризмы или иного аналога двух-щелевого эксперимента. Получившееся спектральное и пространственное распределение тормозного излучения авторы сравнили с двумя случаями: излучением от электрона в состоянии с определенным импульсом, направленным вдоль оси рассеяния, и излучением от электрона в таком же суперпозиционном состоянии, но без учета интерференционных членов (некогерентный случай).
Анализируя полученные зависимости дифференциальных сечений рассеяния на атоме углерода, которые пропорциональны интенсивности тормозного излучения, авторы заметили, что в когерентном случае излучение стремится распространяться вдоль оси рассеяния, в то время как в обычной ситуации и в некогерентном случае поле излучения принимает коническую форму. Такое поведение было обнаружено для разных энергий электронов.
Результаты, полученные при вычислении рассеяния на наноондуляторе, обнаружили другой эффект. Дело в том, что в спектрах излучения электронов, рассеиваемых на ондуляторах, помимо основной компоненты обычно наблюдается длинный «хвост», который напоминает спектр синхротронного излучения. Такой хвост был обнаружен в дифференциальных сечениях в случае состояния с определенным импульсом и в некогерентном случае, в то время как при когерентном рассеянии его не было.
Авторы отмечают, что обнаруженные эффекты похожи на эффекты, встречаемые в фотонных кристаллах, а также в процессах коллективного излучения свободных электронов. Однако ключевое отличие новой работы в том, что здесь речь идет о формировании суперпозиционного состояния у всего лишь одного электрона. Физики ожидают, что идея, представленная в работе, может быть расширена и на другие КЭД-процессы с участием протонов или ионов, равно как и на остальные разделы квантовой теории поля.
Квантовая электродинамика сыграла и продолжает играть важную роль в процессе нашего понимания физики микромира. Подробнее почитать об этом вы можете в нашем материале «Щель в доспехах».
Марат Хамадеев
Точность эксперимента в два с половиной раза превзошла предыдущие
Физики подтвердили нулевое значение дипольного момента электрона с точностью в два с половиной раза выше предыдущей. Для этого ученые поместили ионы гафния в сверхсильное электрическое поле и измерили разность энергий их различных квантовых состояний. Исследование позволит лучше ограничить константы физики за пределами Стандартной модели, пишут ученые в Science. Электрический дипольный момент электрона — мера внутренней асимметрии распределения его заряда. Согласно предсказаниям Стандартной модели, его значение хоть и не равно нулю, но чрезвычайно мало: не более 10-38 заряда электрона на сантиметр. Поэтому в пределах доступной сейчас чувствительности эксперимента (10-30 заряда электрона на сантиметр — это выше искомого значения на восемь порядков) дипольный момент считают нулевым. Вклад в теоретическое значение вносит нарушение CP-симметрии (сочетание зарядовой симметрии и симметрии четности), которое возникает из-за слабого взимодействия между частицами. Это нарушение уже является частью Стандартной модели. Однако дополнительные нарушения, значения которых превышают текущие теоретические значения, смогли бы объяснить дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной (подробнее об этом читайте в нашем материале «Вселенная вместо ничто»). Такие нарушения в теории можно ввести лишь при расширении Стандартной модели частицами Новой физики. Кандидатов на роль нарушителей довольно много: например, портал Хиггса, хамелеоновские частицы и B−L бозоны нарушают CP-симметрию при высоких энергиях. Подобные измерения уже проводились, однако в рамках заданной точности эксперимента (10-29) значение оказалось равным нулю, и, следовательно, наличие новых частиц эксперимент не подтвердил. Повысить точность довольно сложно — нужны сверхсильные электрические поля (больше 20 гигавольт на сантиметр). Чтобы проверить, не отличается ли все же дипольный момент электрона от нуля, группа ученых из Колорадского университета под руководством Тани Русси (Tanya S. Roussy) создала в ионной ловушке поле с напряженностью 23 гигавольта на сантиметр и поместила в нее ионы гафния HfF+. Благодаря этому физики повысили точность измерения дипольного момента электрона на порядок. Во внешнем электрическом поле ионы гафния HfF+ выстраиваются вдоль силовых линий, создавая эффективное электрическое поле, которое воздействует на спин электрона. Ученые фиксировали разность энергий между двумя дублетными состояниями иона, которая чувствительна к наличию дипольного момента. У одного состояния внутримолекулярная ось (ось, перпендикулярная плоскости движения пары электронов дублетного состояния) параллельна приложенному полю, у другого — антипараллельна. Значение разности получали измерением частоты перехода из одного квантового состояния в другое с помощью спектроскопии Рэмси, основанной на явлении магнитного резонанса. Cравнив измеренную разность энергий с теоретической (по предсказаниям Стандартной модели), ученые определили значение дипольного момента. Оно оказалось равным нулю с погрешностью менее 4,1 × 10-30 заряда электрона на сантиметр. Благодаря повышению точности исследователям удалось получить новые оценки для расширений Стандартной модели, объясняющих дисбаланс материи и антиматерии. Эффективная масса их бозонов должна быть более 40 терраэлектронвольт. Это на порядок больше максимальной массы частиц, детектируемых Большим адронным коллайдером. А значит, при дальнейшем увеличении точности метода можно обнаружить частицы, невидимые в экспериментах физики высоких энергий. Ученые продолжают искать следы новой физики в экспериментах по определению квантовых характеристик элементарных частиц. Физики уже обнаружили отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона, а недавно улучшили оценку магнитного момента электрона.