Свойства квантового гало предложили исследовать бомбардировкой

Физики теоретически показали возможность исследования свойств квантового гало в димере гелия по продуктам его ионизации, бомбардируя молекулу релятивистскими заряженными частицами. Они выяснили, что такой способ покрывает 80 процентов волновой функции димера, а также то, что при описании диссоциации нельзя пренебрегать релятивистскими эффектами. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Атом гелия обладает самой большой энергией ионизации. Это означает, что он крайне неохотно вступает в химическую связь с другими атомами. Долгое время ученые не могли найти примеров таких молекул, пока в середине 90-х годов не было экспериментально доказано существование димера гелия.

Димер гелия — уникальная молекула. Вандерваальсовское взаимодействие в нем настолько слабое, что димер обладает всего одним квантовым состоянием с энергией связи порядка 10^-7 электронвольт. Средняя длина связи между атомами в молекуле составляет 52 ангстрема, а их волновая функция представляет собой сферический слой, простирающийся на 200 ангстрем. За такую форму он получил название «квантовое гало».

Такие необычные свойства димера гелия интересны физикам с точки зрения эффектов, которые невозможно увидеть в нормальных молекулах. Например, недавно физики экспериментально наблюдали волнообразные возмущения ядерной волновой функции в результате точечного воздействия на димер. Также ученые активно исследуют диссоциацию этой молекулы на два гелиевых иона при поглощении одного и двух фотонов.

Беннасур Наджари (Bennaceur Najjari) из Китайской академии наук вместе с коллегами из Германии решили разобраться, как происходит распад димера гелия при бомбардировке его заряженными релятивистскими частицами. Они теоретически показали, что подобный эксперимент поможет восстановить информацию о распределении атомов гелия внутри квантового гало, а также измерить их энергию связи.

Диссоциация димера гелия в результате столкновения с релятивистской частицей неизменно сопряжена с ионизацией обоих атомов, однако происходить она может четырьмя различными путями. В первом случае заряженная частица практически мгновенно ионизует оба атома, в результате чего димер разрывается за счет кулоновского взрыва. Такой механизм физики назвали прямой фрагментацией. Для него характерно то, что кинетическая энергия ионов обратно пропорциональна расстоянию между ними. Это позволяет, изучая энергетическое распределение ионов в эксперименте восстанавливать структуру квантового гало.

Второй сценарий происходит, когда налетающая частица выбивает лишь один электрон, который, в свою очередь, выбивает второй. Поскольку эти процессы происходят быстрее, чем движутся ядра гелия, энергия, высвобожденная в результате кулоновского взрыва, также несет прямую информацию о расстоянии. В третьем случае один из атомов ионизируется в высоковозбужденное состояние. В результате релаксации он передает избыток энергии соседу, что высвобождает второй электрон. Четвертый же механизм описывается через двойную ионизацию одного из атомов с последующей миграцией к нему одного из электронов.

Третий и четвертый механизмы не дают однозначной связи кинетической энергии продуктов распада с расстоянием между атомами. Вместе с тем, эта энергия для обоих процессов имеет нижний порог в 5-7 и 1 электронвольт, соответственно. Другими словами, исследуя диапазон рассеянных частиц с энергией меньше одного электронвольта, можно, опираясь на первые два механизма, восстановить структуру димера гелия для расстояний более 14 ангстрем.

Физики построили теорию, которая описывает прямую фрагментацию и одиночную ионизацию с последующим выбиванием второго электрона через произведение соответствующих одноатомных амплитуд в рамках приближения симметричного эйконала при бомбардировке димера гелия ионами урана. В расчетах они как учитывали, так и пренебрегали релятивистскими эффектами.

В результате авторы построили зависимости сечений рассеяния на атомах с различным поперечным состоянием для различных значений энергии на нуклон. Сечение показало высокую чувствительность к межатомному расстоянию, а также к релятивистским эффектам. Последнее оказалось неожиданным, поскольку в похожих процессах ионизации отдельных атомов гелия с помощью релятивистских заряженных частиц, а в особенности при двойной ионизации, влияние релятивизма существенно слабее.

Физики также выяснили, что в случае вкладов от очень больших расстояний между атомами величина энергии связи начинает влиять на результат рассеяния. Это позволило им оценить верхнюю границу применимости метода в 250 ангстрем. Таким образом, диапазон 14-250 ангстрем позволяет покрыть область пространства, в которой димер гелия проводит 80 процентов всего времени. Авторы также показали, что при очень малых кинетических энергиях продуктов распада вычисления оказываются чувствительны к энергии связи. В реальном эксперименте этот факт поможет ее уточнить.

Диссоциации молекул — это мощный инструмент проверки тонких физических эффектов. Ранее мы уже сообщали, как нащупали границу квантового и классического мира при распаде молекул стронция и как точные измерения энергии диссоциации молекулы водорода разошлись с теорией

Марат Хамадеев