Физики напрямую измерили магнитный момент иона гелия-3

Немецкие и японские физики напрямую измерили магнитный момент иона ³He⁺. Новое измерение вместе с точными квантовоэлектродинамическими расчетами, позволило лучше понять устройство ядра гелия, в частности его неэкранированный магнитный момент и размер. Новые данные помогут превратить гелий-3 в абсолютный магнитометрический стандарт. Исследование опубликовано в Nature.

Прогресс в квантовой физике можно условно разделить на экстенсивный и интенсивный. К первому можно отнести поиск квантовых и когерентных свойств у все более крупных и сложных объектов, ко второму — более детальное и точное исследование простых систем. Сюда можно отнести прецизионную физику атомов с легкими ядрами, содержащими небольшое количество протонов и электронов.

Действительно, чем меньше тел в задаче, тем точнее ее можно решить. С ростом точности теоретикам приходится принимать во внимание все большее количество эффектов, которые ранее были незаметны, а экспериментаторам — усовершенствовать свои установки, чтобы уменьшать или компенсировать новые неопределенности. Мерилом правильности становится согласие теории и эксперимента, однако прогресс в этом направлении часто обнажает нестыковки. Ярким примером этого можно считать загадку радиуса протона, которой мы посвятили материал «Щель в доспехах», отклонения в значении аномального магнитного момента мюона и многое другое.

К числу важнейших для физики легких атомов можно отнести ³He и его ион ³He⁺. Ядро этих атомов обладает рекордной чувствительностью к магнитному полю, поэтому физики предлагают использовать сигнал ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в гелии-3 в качестве стандарта магнитометрии. Уже сейчас ячейки с этим изотопом используются в эксперименте по сверхточному определению мюонного магнитного момента.

Проблема, однако, заключается в том, что ученым для этого надо точно знать значение собственного магнитного момента ядра гелия-3. Доступ к этой величине затрудняет эффект экранирования ядер электронными оболочками. Мы уже рассказывали, как теоретическая оценка этого эффекта потребовала учета квантовоэлектродинамических поправок. Измерение же магнитного момента гелия-3 методами ЯМР пока возможно только в сравнении с таковым для молекул воды или водорода, поэтому его экспериментальная относительная точность ограничена 12 миллиардными долями.

Антониа Шнайдер (Antonia Schneider) из Института ядерной физики Общества Макса Планка с коллегами из Германии и Японии сообщили о прямом измерении магнитного момента иона ³He⁺, а также измерении магнитного момента связанного электрона. Последний оказался в хорошем согласии с теоретическими расчетами. Новое измерение совместно с расчетами константы экранирования позволило узнать магнитный момент голого ядра гелия с точностью, на порядок превышающую точность сравнительных экспериментов.

Энергетическая структура водородоподобных атомов (то есть ядер с одним электроном, к которым относится и ³He⁺) имеет сложный, в некотором смысле даже фрактальный характер. Ее грубое описание дает теория Бора, которая воспроизводится в рамках нерелятивистской квантовой механики. Учет релятивистских и спиновых эффектов позволяет увидеть тонкую структуру энергетических уровней. Следом по малости идут расщепления, вызванные лэмбовским сдвигом, а на самых малых масштабах физики имеют дело со сверхтонкой структурой, которая возникает из-за взаимодействия электронных и ядерных моментов.

Сверхтонким расщеплением можно управлять, помещая атом в магнитное поле. То, как каждый из уровней будет реагировать на поле, определяют их квантовые числа, а также электронные и ядерные магнитные моменты, которые физики записывают через соответствующие магнетоны Бора (по сути, фундаментальные константы) и множители Ланде (иногда их называют g-факторами). Правда, истинный ядерный магнитный момент слегка подвержен экранированию электронами, что тончайшим способом влияет на положение уровней. Чтобы определить необходимые константы, нужно измерять частоты переходов между уровнями в сверхтонком расщеплении в присутствии магнитного поля, что и делали авторы.

Гелий-3 в этом плане идеально подходит для экспериментов по ЯМР, поскольку, в отличие от своего более распространенного изотопа, гелия-4, обладает ненулевым ядерным спином, равным 1/2. В ионе ³He⁺ этот спин взаимодействует с электронным спином, и поскольку каждый из них имеет две возможные проекции, основное состояние иона расщепляется на четыре сверхтонких подуровня. Физики измеряли переходы между ними в сложной криогенной установке, состоящей из двух ловушек Пеннинга. В одной из них ученые точно определяли, в каком из подуровней находится загнанный в нее ион, а в другой — облучали его микроволнами, чтобы вызвать сверхтонкие переходы и определяли их частоты.

Сравнивая значения, полученные для четырех частот, с теоретическими формулами, физики подгоночным путем извлекли значения для экранированного ядерного и электронного g-фактора, а также величину сверхтонкого расщепления в отсутствии магнитного поля. Они оказались равны −4,2550996069(30)_stat(17)_sys, −2,00217741579(34)_stat(30)_sys и −8 665 649 865,77(26)_stat(1)_sys герц, соответственно.

Авторы скомбинировали результаты своего эксперимента с теоретическими значениями. Так, электронный фактор Ланде был единственной величиной, которую можно было сравнить с теорией напрямую: он оказался с ней в полном согласии. Рассчитанный ранее параметр экранирования позволил вычислить g-фактор голого ядра, он оказался равен −4,2552506997(30)_stat(17)_sys(1)_theo. Наконец, сравнение расщепления в нулевом поле с теорией позволило определить радиус Земаха, который отвечает за распределение намагниченности в ядре. Его величина оказалась равна 2,608(24) фемтометра.

Ранее мы рассказывали, как часть этой же группы на очень похожей установке, расположенной в ЦЕРНе, сравнивала магнитные моменты протона и антипротона.

Марат Хамадеев