Физики уточнили лэмбовский сдвиг в мюонии

Физики из коллаборации Mu-MASS представили данные по уточненному значению лэмбовского сдвига в мюонии. Результат оказался в согласии с расчетами квантовой электродинамики и позволил наложить дополнительные ограничения на Новую физику. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Лэмбовский сдвиг — это часть энергий атомных уровней, которые не может объяснить релятивистская квантовая механика. Основной вклад в лэмбовский сдвиг исходит от взаимодействия атома с вакуумом, выражающегося в рождении и уничтожении виртуальных частиц. Для описания этих процессов была разработана квантовая электродинамика, ставшая эталоном для остальных типов взаимодействия.

Квантовая электродинамика известна своей точностью. Ответом со стороны эксперимента стали сверхточные измерения энергетических уровней атомов, в том числе и экзотических. В конечном итоге обеих точностей стало достаточно, чтобы учесть влияние конечности размера ядра. Последнее десятилетие в физике водородоподобных атомов прошло в поиске решения загадки радиуса протона, которая заключалась в том, что размеры протона, получаемые с помощью спектроскопии обычного и мюонного водорода, отличаются на четыре процента. Подробнее об этом вы можете прочитать в материале «Щель в доспехах».

Однако для проверки квантовой электродинамики интерес представляют чисто лептонные атомы, в которых нет необходимости учитывать размер ядра. К таковым можно отнести позитроний (электрон + позитрон) и мюоний (антимюон + электрон). Так, недавние эксперименты по спектроскопии позитрония выявили расхождение с теорией, превышающее четыре стандартных отклонения. Мюоний еще лучше подходит для таких экспериментов, поскольку его время жизни существенно больше, чем у позитрония. Однако проделанные измерения лэмбовского сдвига в мюонии страдали от небольшой точности из-за отсутствия высококачественных источников антимюонов с низкими энергиями.

В наши дни такой источник был создан в Институте Пауля Шерера, в котором работает коллаборация Mu-MASS, специализирующаяся на лазерной спектроскопии мюония. Коллаборация, в состав которой также входят физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН), представила результаты измерения лэмбовского сдвига уровня мюония с = 2. Им удалось улучшить точность эксперимента на порядок по сравнению с предыдущими исследованиями и наложить более строгие ограничения на нарушения лоренц- и CPT-инвариантности в мюонном секторе, а также на Новую физику мюон-электронного взаимодействия.

В ходе эксперимента поток антимюонов с интенсивностью 2×108 частиц в секунду и энергией 28 мегаэлектронвольт тормозился в неоновом замедлителе до энергий 20 электронвольт. После фильтрации частицы фокусировались на 10-нанометровую углеродную фольгу. При этом, как образовывались атомы мюония, так и выбивались электроны, которые сигнализировали об этом событии.

11 процентов рождаемого таким путем мюония оказывалось в метастабильном 2S состоянии, чье время жизни, равное 0,12 секундам много больше, чем время жизни самого мюония, равного 2,2 микросекундам. Поэтому физики прикладывали атомам, достигшим камеры регистрации, дополнительное электрическое поле напряженностью 250 вольт на сантиметр, чтобы перемешать 2S состояние с короткоживущими 2P подуровнями. В результате атомы релаксировали за несколько наносекунд с испусканием линии Лайман-альфа. Эти фотоны попадали на детектор и инициировали второе сигнальное событие. Наконец, по дороге к камере регистрации мюоний облучался микроволновым излучением, которое, будучи настроенным на резонанс 2S1/2−2P1/2, приводило к депопуляции уровня 2S и, как следствие, к уменьшению Лайман-альфа сигнала. На выходе из установки стояли времяпролетные детекторы, сигналы с которых также учитывались при сортировке кандидатов.

После калибровки всех систем, авторы сканировали диапазон микроволнового излучения и следили за падением Лайман-альфа сигнала. При этом учитывались только те события, которые соответствовали совпадению всех трех сигналов. Для простоты обработки спектра и увеличения точности физики обедняли сверхтонкий подуровень 2S F=0 дополнительным микроволновым импульсом. В результате измеренный спектр состоял из двух компонент, параметры которых были извлечены из аппроксимации. С учетом сверхтонкой структуры 2P1/2 уровня, а также всех статистических и систематических погрешностей, измеренный лэмбовский сдвиг оказался равен 1047,2±2,3stat± 1,1syst мегагерц.

Результат оказался в хорошем согласии с теоретическими вычислениями. Это позволило ученым наложить ряд ограничений на Новую физику. В частности, они переопределили параметры нарушения лоренц-инвариантности и CPT-симметрии для мюонных процессов. Также физики ограничили свойства новых гипотетических калибровочных бозонов, предложенных для объяснения сильной аномалии в эксперименте Muon g-2, про которую мы не так давно рассказывали.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Квантование фарадеевского вращения оказалось в точности равно постоянной тонкой структуры

В основе этого эффекта лежит квантовый аномальный эффект Холла