Физики проверили теорию с помощью колебаний гелиевого конденсата

Физики поставили новый рекорд точности в измерении частоты атома гелия в состоянии 2³S₁, при которой его динамическая поляризуемость равна нулю. Для этого они определяли частоту колебания бозе-эйнштейновского конденсата в комбинированной магнито-оптической ловушке. Полученный результат отличается от расчетов на 1,7 стандартного отклонения. Исследование опубликовано в Science.

Уже больше века мы знаем, что энергия атомов может принимать лишь дискретные значения. Переход между атомными уровнями сопровождается поглощением или испусканием одного (реже нескольких) фотонов. Для этого частота фотона должна соответствовать разнице в энергиях уровней (условие резонанса).

Этот принцип лежит в основе атомной спектроскопии. Прогресс в этом направлении сделал возможным измерение тончайших энергетических нюансов в атомах и послужил стимулом к развитию квантовой теории. В конце концов, этот процесс вылился в «гонку» между экспериментом и теорией взаимодействия света и вещества — квантовой электродинамикой. Достижение точности в двенадцатом знаке после запятой позволило обнаружить несоответствие между радиусом протона, полученным в рамках различных экспериментов с обычным и мюонным водородом (подробнее про эту проблему читайте в материале «Щель в доспехах»).

Между тем, нерезонансное взаимодействие атомов с лазерным полем также представляет большой интерес. В этом случае уровни атомов испытывают динамический штарковский сдвиг, пропорциональный интенсивности света. Знак этого сдвига противоположен знаку динамической поляризуемости атома — параметра, чья зависимость от частоты определяется близостью к атомным резонансам. Динамический штарковский сдвиг лежит в основе работы некоторых оптических пинцетов и ловушек, заставляющих атомы стремиться в область максимальной интенсивности света.

В межрезонансной области важными оказываются два типа частот. Один тип частот, называемых «магическими», относится к конкретному переходу. При «магических» частотах разность динамических поляризуемостей верхнего и нижнего состояния равна нулю, что позволяет существенно увеличить время когерентности и сделать стабильнее оптические часы. При другом типе частот нулю оказывается равна динамическая поляризуемость и сдвиг того уровня, в котором находится атом (их еще называют «tune-out frequencies», тюн-аут-частоты). Измерение таких частот также может служить проверкой предсказаний квантовой электродинамики, поэтому такие работы активно ведутся.

Группа физиков из Австралии, Канады и Китая при участи Кена Болдуина из Австралийского национального университета провела точные измерения тюн-аут частоты атома гелия в метастабильном состоянии 2³S₁, измеряя колебания гелиевого конденсата, запертого в магнитно-оптической ловушке. Отличительной особенностью работы стала высокая точность, как эксперимента, так и расчетов по сравнению с предыдущими исследованиями. В результате ученые обнаружили небольшое отличие между двумя значениями, равное 1,7 стандартного отклонения.

Высокоточный доступ к динамической поляризуемости достаточно сложно получить методами традиционной спектроскопии. Вместо этого авторы использовали принципиально другой подход. Он основан на свойстве динамического штарковского сдвига формировать яму оптического дипольного потенциала. Чем больше динамическая поляризуемость, тем круче стенки этой ямы и тем выше частота колебания.

Чтобы измерить эту частоту, физики использовали не отдельные атомы, как это часто делается в прецизионной спектроскопии, а бозе-эйнштейновский конденсат из атомов гелия, предварительно возбужденных на нужный метастабильный уровень. Конденсат находился в магнитной ловушке с некоторой частотой колебания. Авторы наводили на него дополнительную оптическую ловушку с частотой света, меняющейся в окрестности 726 терагерц, и, улавливая рассеянные конденсатом фотоны, измеряли его скорость движения в различные моменты времени. Зависимость этой скорости от времени представляет собой затухающее из-за потерь в конденсате гармоническое колебание. Комбинация двух ловушек смещает частоту этого колебания, однако при тюн-аут-частоте лазера оно в точности равно частоте магнитной ловушки. Именно ее и измеряли ученые.

В результате оказалось, что тюн-аут-частота атома гелия в состоянии 2³S₁ при его облучении лазером с линейной поляризацией, перпендикулярной направлению магнитного поля, равна 725736700±260 мегагерцам. Главным источником систематических ошибок стала неопределенность в измерении поляризации света. Тем не менее, новые измерения оказались в 20 раз точнее предыдущих.

Вместе с этим, авторы провели тщательное вычисление этой же частоты, учтя конечность массы и размера ядра, релятивистские и КЭД-поправки, а также эффекты запаздывания. Новые расчеты оказались в 10 раз точнее предыдущих и выдали значение 725736252±9 мегагерц. Отличие теории от эксперимента оказалось чуть меньше двух стандартных отклонений. Это нельзя считать большой аномалией: про них физики обычно говорят, приближаясь к пяти стандартным отклонениям. С другой стороны, в атоме гелия на ту же величину не сходятся размер ядра и лэмбовский сдвиг 2¹S₀ состояния, что может говорить о какой-то одной систематической причине.

Квантовую электродинамику проверяют не только с помощью обычных, но и экзотических атомов. Недавно мы рассказывали про подобный эксперимент в мюонии — связанной системе из антимюона и электрона.

Марат Хамадеев