Размер ионного волнового пакета измерили с помощью оптического микроскопа
Физики использовали микроскопию на основе истощенного основного состояния, чтобы измерить характерный размер волновой функции иона, пойманного в ловушку. Для этого они анализировали осцилляции, которые появляются в пространственном распределении флуоресценции и содержат информацию о состоянии иона. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Принцип работы обычного оптического микроскопа основан на способности линз создавать увеличенное изображение изучаемых предметов, которые облучаются светом. Рост оптического увеличения микроскопов, однако, ограничен невозможностью фокусировки световых волн в пятно, существенно меньшего длины волны света. Для преодоления этого предела учеными было предложено множество расширений оптической микроскопии, одним из которых стала микроскопия на основе подавления спонтанного излучения (STED-микроскопия).
В основе STED-микроскопии лежит идея о подавлении переизлучения с поверхности освещаемого образца всюду, кроме небольшой области с известной координатой. Это достигается путем облучения образца дополнительным лазерным лучом, чей поперечный профиль имеет форму кольца. Такой луч обедняет населенность тех атомов или молекул, на которые приходит кольцевое излучение, не давая им излучать. В результате в микроскоп поступает флуоресценция лишь от небольшой субволновой области, определяемой центром кольцевого луча. Знание о положении этого центра позволяет провести статистическую обработку изображения, собираемого объективом микроскопа, и довести его разрешение до десятков и даже единиц нанометров.
Несмотря на существенное увеличение разрешающей способности STED-микроскопов, с их помощью все еще невозможно увидеть отдельные атомы и волновые функции их электронов. Однако, когда атомы захвачены в ловушки и сильно замедлены охлаждением, их движение квантуется и локализуется. В этом случае волновые функции самих атомов могут простираться на масштабах нескольких десятков нанометров и потому быть видимыми в STED-микроскоп.
Мартин Дрекслер (Martín Drechsler) из Университета Майнца с коллегами из Аргентины и Германии попытались применить этот принцип, чтобы измерить размер волновой функции иона 40Ca+ пойманного в ловушку. Они использовали модифицированную версию STED-техники, в которой обедняется не само возбужденное состояние, ответственное за флуоресценцию, а основное состояние, с которого ионы переводятся на возбужденное, а оттуда уже излучают. В частности, истощающий кольцевой луч с длиной 729 нанометров переводил электронную конфигурацию иона из основного состояния 4S1/2 в метастабильное возбужденное состояние 3D1/2, в то время как не обедненные ионы переводились на короткоживущий уровень 4P1/2 лазером с длиной волны 397 нанометров. Объектив собирал их переизлучение и направлял на ПЗС-матрицу.
Поскольку процесс истощения когерентный, населенность метастабильного уровня осциллирует с частотой Раби, зависящей от интенсивности кольцевого луча. Интенсивность в таком луче, в свою очередь, растет с ростом расстояния от его центра, а значит и вероятность изучения иона будет также осциллятивно зависеть от расстояния, что проявит себя в виде концентрических колец на изображении. Сами по себе осцилляции Раби не несут информации о вероятности встретить ион в пространстве, однако его волновая функция определяет искажения этих колец. Сравнивая, таким образом, теорию и эксперимент, можно вычислить характерный размер пространственного распределения иона в ловушке.
Для реализации этой идеи физики помещали ион в ловушку Пауля, и охлаждали его с помощью метода Допплера и метода боковой полосы. Разные способы охлаждения переводили ион в различные термализованные состояния (то есть состояния равновесной суперпозиции с различными колебательными квантовыми числами), что сказывалось на форме осцилляций и их деталях. Для каждого пикселя изображения ученые повторяли весь экспериментальный цикл, включающий в себя охлаждение, накачку и измерение сигнала, десять раз. В результате подгонки рассчитанных профилей под экспериментальные, авторы получили, что размер волнового пакета иона, охлажденного допплеровски и с помощью боковой полосы, составил 60±5 и 39±9 нанометров, соответственно. Второе значение оказалось в согласии с величиной 32±2 нанометра, полученной в качестве дополнительной информации в методе боковой полосы.
Физики описали несколько причин, физически ограничивающих разрешающую способность предложенного метода, в частности неидеальность истощающего пучка, содержащего продольную компоненту поляризации в середине, а также паразитные нерезонансные возбуждения. В будущем они также планируют исследовать неклассические (неравновесные) состояния иона, описываемые всего одним квантовым числом.
Ученые борются с дифракционным пределом всеми доступными способами. Кроме флуоресценции в их арсенал входят нанолазеры, метаматериалы, ближнепольная оптическая микроскопия и даже пространственные корреляции оптических мод в дальнем поле.
Марат Хамадеев
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».