Физики провели точное измерение длин волн переходов 2S1/2−2P1/2 и 2S1/2−2P3/2 у литиеподобных ионов углерода C3+, разогнанных до релятивистских скоростей в накопительном кольце. Для этого они направляли ультрафиолетовое излучение навстречу ионному пучку и детектировали последующую флуоресценцию ионов, причем для настройки на резонанс они меняли не длину волны излучения, а скорость пучка. Работа опубликована в Scientific Reports.
Спектроскопия ионов, разогнанных до скоростей, близких к скорости света, сопряжена с определенными трудностями. В первую очередь это связано с тем, что ионы не находятся в одном месте в форме газа, как это обычно бывает в классической спектроскопии, а быстро летят по накопительному кольцу. Другая сложность связана с возникновением сильнейшего допплеровского смещения длин волн, а также искажений, возникающих вследствие преобразований Лоренца.
Существует, однако, еще одна сложность. Для точных экспериментов с релятивистскими пучками (не только спектроскопических) они должны быть достаточно холодными, что понимается как малый разброс по импульсам ионов в пучке. На данный момент самый распространенный метод охлаждения быстрых ионов в накопительных кольцах - это метод электронного охлаждения, который заключается в подмешивании к пучку «горячих» ионов пучка «холодных» электронов. Предполагается, что лазерное охлаждение будет более эффективно для этих целей, однако для этого метода необходимо знание точных значений длин волн переходов в ионах. При этом для некоторых ионов, в частности, для литиеподобных ионов углерода C3+, существуют расхождения в литературных данных.
Чтобы разрешить эти противоречия, а также чтобы протестировать системы подвода и детектирования излучения в экспериментальном накопительном кольце, установленном в Центре по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца в Дармштадте, группа физиков из Германии и Китая под руководством Даньяла Винтерса (Danyal Winters) провела серию экспериментов по уточнению длин волн переходов 2S1/2−2P1/2 и 2S1/2−2P3/2 у ионов 12C3+. Ионы разгонялись в накопительном кольце до скоростей, равных почти половине скорости света, и охлаждались с помощью электронного охладителя. В отдельной области кольца ионы сталкивались с лазерным излучением с длиной волны 257 нанометров, а переизлученные фотоны попадали в систему регистрации.
Особенность эксперимента заключалась в том, что точное значение скорости ионов зависело от напряжения, подаваемого на электронный охладитель. Это позволяло совершать тонкую настройку длины волны лазера в системе центра масс ионов, поскольку из-за допплеровского сдвига она смещается в коротковолновую область согласно фактору Лоренца. Вблизи резонансов авторы меняли напряжение в охладителе с шагом в один вольт, сканируя исследуемую область три раза. По числу отсчетов на детекторе ультрафиолетового излучения они делали выводы о интенсивности поглощения и последующей флуоресценции.
Таким образом, меняя напряжение на электронном охладителе, физики связывали его через ток со скоростью ионов и, следовательно, с длиной волны в системе центра масс. В результате длины волн переходов на уровни 2P1/2 и 2P3/2 составили 155,0779(12)sys(1)stat и 154,8211(12)sys(2)stat нанометров соответственно.
Стоит особо отметить большую работу по учету всевозможных погрешностей, проведенных в данном эксперименте. В результате аккуратного их учета физики пришли к выводу, что измеренные длины волн находятся в хорошем согласии с данными, полученными ранее в экспериментах по интерферометрии и спектроскопии плазмы, равно как и с теоретическими предсказаниями. Они отметили также, что несколько улучшений в экспериментальной установке и дополнительные калибровки позволят улучшить точность эксперимента в будущем.
Лазерная спектроскопия в последние годы существенно повысила точность физических экспериментов. Мы уже рассказывали, как с ее помощью уточняли размер протона и альфа-частицы.
Марат Хамадеев