МОСКВА, 22 мая. /ТАСС/. Физики из Европы и Китая впервые использовали мюоны, тяжелые аналоги электронов, для сверхточных замеров радиуса атома гелия-3, что позволило ученым подтвердить предыдущие оценки и в 15 раз снизить погрешность измерений. Полученные данные помогут ученым максимально строго проверить теорию квантовой электродинамики, сообщила пресс-служба швейцарского Института Пола Шеррера (PSI).
"Точное значение радиуса гелия-3 критически важно для интерпретации результатов других экспериментов, в рамках которых ученые изучают свойства "обычных" ионов и атомов гелия с одним или двумя электронами. В частности, полученные данные помогут максимально строго проверить выкладки квантовой электродинамики, описывающие систему из трех тел, а также независимым образом вычислить значение постоянной Ридберга", - говорится в сообщении.
Международный научный коллектив под руководством профессора PSI Альдо Антоньини уже много лет проводит опыты, в рамках которых физики максимально точно определяют размеры и другие свойства различных элементарных частиц и атомов. В частности, в 2010 году им удалось определить радиус протона и найти расхождения с предыдущими оценками, а четыре года назад они измерили точный радиус атома гелия-4, самой распространенной формы этого элемента.
Подобные замеры физики проводят при помощи мюонов, тяжелых аналогов электронов, которые обладают таким же зарядом, но в две сотни раз превосходят их по массе. В результате этого они значительно сильнее взаимодействуют с ядром, что позволяет очень точно определить размеры атома, если подсветить мюон при помощи лазерных импульсов и проследить за тем, как эта частица "перепрыгнет" на более высокий энергетический уровень.
Максимально точная проверка теории
Опираясь на этот подход, физики подготовили набор ионов гелия-3, соединили их с мюонами и проследили за их взаимодействиями с лазерными импульсами, для чего ученые создали специальный датчик, позволявший им отслеживать соединение этой частицы с гелием. Замеры позволили физикам в 15 раз повысить точность замеров радиуса этих атомов и получить пока самые точные оценки этого параметра - 1,97 фемтометра (триллионных долей миллиметра).
В этом отношении, как отмечают исследователи, атом гелия-3 оказался несколько больше гелия-4, чей радиус составляет 1,67824 фемтометра, что отражает различия в их внутренней структуре. При этом ученые подчеркивают, что результаты их замеров в целом совпадают с предыдущими оценками радиуса гелия-3, полученными при наблюдениях за движением электронов, а не мюонов. Также это значение оказалось близко к результатам теоретического моделирования внутреннего устройства атомов гелия-3.
По словам исследователей, полученные ими данные помогут максимально точно определить то, насколько сильно меняются свойства энергетических уровней атомов в результате их квантовых взаимодействий с виртуальными фотонами, которые постоянно появляются и исчезают в пустоте вакуума. Существование этого феномена, так называемого Лэмбовского сдвига, предсказывается теорией квантовой электродинамики, однако пока ученые не на 100% уверены в точности полученных при ее помощи расчетов. Новые данные по радиусу атома гелия-3 помогут проверить их, подытожили Антоньини и другие ученые.