Лазерный мир

В эксперименте, проведенном в Институте Пауля Шеррера (PSI) в Швейцарии, физикам удалось значительно точнее, чем когда-либо раньше, измерить радиус ядра гелия. По мнению ученых, это позволит лучше понять процессы в более тяжелых атомных ядрах, а также проверить фундаментальные физические константы и теории. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Гелий — второй по распространенности элемент во Вселенной после водорода. Около четверти атомных ядер, образовавшихся в первые несколько минут после Большого взрыва, были ядрами гелия. Каждое из них состоит из четырех строительных блоков: двух протонов и двух нейтронов.

Предыдущие знания о ядре гелия были получены из экспериментов с электронами. Авторы разработали новый подход, который позволил значительно повысить точность. Вместо электронов для своих измерений они использовали мюоны — частицы, похожие на электроны, но примерно в 200 раз тяжелее.

«Идея наших экспериментов проста, — приводятся в пресс-релизе PSI слова одного из авторов исследования Альдо Антоньини (Aldo Antognini). — Обычно два отрицательно заряженных электрона вращаются вокруг положительно заряженного ядра гелия. Мы работаем не с обычными атомами, а с экзотическими атомами, в которых оба электрона заменены одним мюоном».

Во время эксперимента мюоны направляют в небольшую камеру, заполненную газообразным гелием. Если условия подходящие, создается мюонный гелий. Мюоны гораздо сильнее связаны с ядром атома, чем электроны, и вращаются вокруг него на гораздо более узких орбитах. При этом, в отличие от электрона, мюон часто остается внутри самого ядра.

«Таким образом, с помощью мюонного гелия мы можем делать выводы о структуре атомного ядра и измерять его свойства», — объясняет Антонини.

PSI — единственный исследовательский центр в мире, где с помощью ускорителя частиц производят мюоны низкой энергии для таких экспериментов. Медленные мюоны выбивают электроны с орбиты и занимают их место, а быстрые просто пролетают мимо.

Еще один компонент эксперимента — лазерная система. Лазер посылает импульсы в газообразный гелий. Если лазерный свет имеет правильную частоту, он возбуждает мюон и переводит его в более высокое энергетическое состояние, в котором его путь практически всегда выходит за пределы ядра. Когда он переходит из этого состояния в основное, он испускает рентгеновские лучи.

Детекторы регистрируют эти сигналы, и физики по ним определяют разницу между двумя энергетическими состояниями мюона в атоме. Согласно теории, измеренная разность энергий зависит от размера атомного ядра. Следовательно, по резонансу лучей, используя теоретическое уравнение, можно определить радиус ядра.

Благодаря разработанному новаторскому подходу, авторы определили размер ядра гелия в пять раз точнее, чем это было возможно в предыдущих измерениях. По их данным, средний зарядовый радиус ядра гелия составляет 1,67824 фемтометра.

Подобным же образом исследователи из PSI измерили в 2010 году радиус протона. Тогда их результат не совпал со значениями, полученными другими методами. В научной среде это назвали «загадкой ядра протона». На этот раз противоречия между новым, более точным значением и измерениями с помощью других методов нет.

В настоящее время авторы разрабатывают эксперимент, в котором они планируют измерить магнитный радиус протона.

Источник:  https://ria.ru/20210127/geliy-1594843443.html