Магнитное экранирование ядра в атоме гелия-3 уточнили на порядок

Физики рассчитали квантово-электродинамические поправки к константе ядерного магнитного экранирования в атоме гелия-3 и его ионе. Они увеличили точность определения этой постоянной на порядок по сравнению с предыдущими расчетами, что в будущем позволит сделать гелий-3 стандартом магнитометрии. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Изотоп гелий-3 интересен ученым благодаря своей стабильности. Это позволяет тщательно сравнивать гелий-3 и более распространенный гелий-4 при их участии в ряде физических процессов, в первую очередь в сверхтекучести, а также в космических лучах. Недавно, однако, стало ясно, что в гелий-3 в гиперполяризованном состоянии превращается в очень хороший детектор магнитного поля. Газовые ячейки, заполненные 3He, используются сейчас для калибровки магнитных сенсоров в эксперименте по сверхточному определению мюонного магнитного момента, а также в экспериментах по ядерному магнитному резонансу.

За точность, которая достигается с помощью этого изотопа, его ЯМР-сигнал было предложено сделать стандартом магнитометрии. Однако для этого требуется знание собственного магнитного момента ядра гелия-3 с высокой точностью, причем, как его экспериментальное, так и теоретическое значение. И если в первом случае удалось достичь точности восьмого знака после запятой (а планируемые эксперименты смогут улучшить этот показатель на два порядка), то точность вычислений на сегодняшний день ограничивается недостатком данных об эффекте экранирования ядер электронными оболочками. Этот эффект немного уменьшает магнитное поле, достигающее ядра. Высокая теоретическая точность соответствующих констант требует вычисления квантово-электродинамических поправок, чего до сих пор в полной мере сделано не было.

Группа физиков из Польши и Швейцарии при участии Кшиштофа Пахуцкого (Krzysztof Pachucki) из Варшавского университета решила закрыть этот пробел. Они вычислили поправки к константе ядерного магнитного экранирования в лидирующем порядке в рамках нерелятивистской квантовой электродинамики (КЭД). Эти вычисления позволят предсказывать величину магнитного момента ядра гелия-3 с точностью, релевантной планируемым экспериментам.

Константа ядерного магнитного экранирования показывает то, насколько отношение магнитного поля, которое «чувствует» ядро, к прикладываемому магнитному полю отличается от единицы. Чтобы разобраться в структуре физических процессов, дающих вклад в экранирование, физики представляют ее в виде двойного ряда, где параметрами малости выступают постоянная тонкой структуры α и отношение массы электрона к массе ядра. Самыми весомыми членами этого ряда оказались квантово-механические для бесконечно тяжелого ядра (нерелятивистский и релятивистский) и квантово-механические для ядра конечной массы, которые уже известны физикам. Дальнейший рост точности требует вычисления КЭД-поправок, то есть поправок на рождение и уничтожение электронами и ядрами виртуальных фотонов и электрон-позитронных пар.

Для упрощения вычислений физики использовали метод нерелятивистской КЭД. В его рамках они учитывали КЭД-эффекты с помощью членов, составляющих обобщенный гамильтониан Брейта-Паули. При расчете поправок к константе ядерного магнитного экранирования теоретики рассматривали только линейные и билинейные части этих членов по отношению к внешнему полю и к полю, создаваемому ядерным магнитным моментом. Эти части как раз отвечают за эффект экранирования поля со стороны виртуальных частиц. Авторы вычислили их для атома водорода, иона 3He+ и атома 3He, а также оценили погрешность вычислений. Вместе с новыми КЭД-поправками константы экранирования этих атомов приняли значение 17,735436(3)×10−6, 35,507434(9)×10−6, и 59,967029(23)×10−6, соответственно.

Эти значения оказались на порядок точнее, чем константы, полученные ранее с помощью методов квантовой химии. По словам физиков, достигнутой точности в 11-12 знаке после запятой будет достаточно для сравнения с результатами грядущих экспериментов. Это, в свою очередь, позволит ввести новый стандарт магнитометрии на основе гиперполяризованного гелия-3. Кроме того, развитая ими теория может быть применена и к другим, достаточно легким атомам и ионам, например, литию, бериллию и бору.

Точность экспериментов с атомами, доступная физикам XXI века, вывела КЭД-эффекты на передний план. Подробнее про квантовую электродинамику и точные вычисления вы можете прочитать в материале «Щель в доспехах».

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Писающие собаки и бумажные полотенца помогли создать идеальный писсуар

Кто знает, возможно, это будущая Шнобелевка по физике