Физики разобрались с квазибрэгговской дифракцией атомного конденсата на оптических решетках
Французские физики теоретически и экспериментально описали то, как зависит характер квазибрэгговской дифракции атомного конденсата на оптических решетках со сложными временными параметрами. Они показали, что, настраивая правильным образом временную зависимость амплитуды светового импульса и частотной отстройки лазерных пучков, можно добиться эффективного дифракционного разделения атомов с выбранной импульсопередачей. Исследование опубликовано в Physical Review A.
Дифракция света сыграла важную роль в становлении классической оптики. Когда стало понятно, что обычная материя тоже обладает волновыми свойствами, физики начали активно изучать дифракцию частиц на периодических структурах, в первую очередь кристаллических решетках. Однако периодичность можно получить по-другому: для этого достаточно создать стоячую волну света. Подобным образом работают акустооптические модуляторы, в которых свет, наоборот, дифрагирует на звуковой стоячей волне.
Капица с Дираком были первыми, кто предположил, что взаимодействие электронов со световыми стоячими волнами (физики часто называют их оптическими решетками) должно приводить к их дифракции. Правда из-за слабости электрон-фотонного взаимодействия экспериментальное подтверждение этой идеи произошло лишь в 2001 году. Атомы же подходят на эту роль гораздо лучше из-за наличия у них внутренней энергетической структуры, поэтому атомную дифракцию на свете увидели уже в конце 70-х годов.
Расщепление атомного пучка на две или более когерентных частей открыло дорогу к созданию сверхчувствительных атомных интерферометров, которые позволяют уловить тончайшие различия в условиях, в которых оказываются атомные траектории (например, разную гравитацию). Вскоре физики поняли, что чем выше будет порядок дифракции, который измеряется в разнице импульсов атомов, идущих по разным плечам (обычно она задается через количество фотонных импульсов), тем дальше будут разнесены траектории и тем точнее будет прибор. Рекорд разницы на сегодня составляет 408 фотонных импульсов. Однако несмотря на такие успехи, для ряда режимов дифракции в литературе есть лишь качественное описание динамики фазы и населенности.
Закрыть этот пробел решила группа французских физиков при участии Александра Гоге (Alexandre Gauguet) из Университета Поля Сабатье. Они построили подробную теорию квазибрэгговской дифракции холодного бозе-эйнштейновского конденсата на оптической решетке. Ученые показали, что правильным подбором параметров импульсов можно добиться высокой эффективности преобразования атомов из исходного состояния в состояние с нужным импульсом.
Дифракцию на стоячих волнах традиционно подразделяют на дифракцию Рамана-Ната и дифракцию Брэгга. Для первой характерно короткое, но интенсивное взаимодействие атомов с оптической решеткой, и, как следствие, население разнообразных импульсных состояний (то есть состояний атома, импульс которого отличается от основного на четное число импульсов фотона). При брэгговской дифракции взаимодействие более продолжительное, и, как следствие, населяется преимущественно один дифракционный порядок. Дифракция Брэгга лучше подходит для реализации делителя в интерферометре, поскольку только с ее помощью можно эффективно создавать большое импульсное разделение, но слишком долгое взаимодействие плохо укладывается в существующие интерференционные схемы.
В качестве альтернативы физики недавно стали рассматривать квазибрэгговскую дифракцию, которая отличается более сложной зависимостью интенсивности света от времени. Чтобы лучше понять как эта зависимость влияет на эффективность импульсопередачи и на фазу дифракции, авторы теоретически рассмотрели разреженный бозе-эйнштейновский конденсат, который с некоторой скоростью влетает в область пересечения двух встречных лазерных пучков, чьи частоты имеют небольшую отстройку друг от друга. Оказалось, что, настраивая зависимость отстройки от времени, можно эффективно скомпенсировать эффект ускорения свободного падения, поддерживая условие для дифракции Брэгга для выбранной импульсопередачи. Физики также исследовали зависимость населенности и фазы от длительности светового импульса и увидели, что потери в нежелательные состояния исчезают начиная с некоторого ее порога. Впрочем, разброс по скоростям атомов ограничивает эту длительность сверху, поэтому авторы нашли некоторые оптимальные условия для эффективной дифракции.
Для проверки теории ученые использовали 80 тысяч охлажденных атомов рубидия в свободном падении, которые освещались двумя стоячими волнами с длиной волны 780 нанометров. Популяции в различных импульсных состояниях авторы измеряли с помощью времяпролетной флуоресцентной визуализации по прошествии 20 миллисекунд с момента дифракции. Зависимость популяции обоих импульсных состояний от времени импульса оказалась в хорошем согласии с симуляциями. Также физики реализовали на той же установки интерферометрический протокол и увидели интерференционные осцилляции для целого диапазона импульсопередач вплоть до 10 импульсов фотона.
Можно ожидать, что квазибрэгговская дифракция улучшить точность атомных интерферометров. Хотя и старыми способами удавалось получить впечатляющие результаты. Недавно мы рассказывали, как интерферометр с рамановской дифракцией позволил обнаружить гравитационный эффект Ааронова-Бома, а мобильный интерферометр с брэгговской дифракцией смог увидеть под землей тоннель.
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».
