Теоретическое исследование эффектов несохранения чётности в лёгких двухэлектронных ионах

Project: Total grant fulfilmentR&D - Fundamental

Description

1. Постановка задачи

Нарушение пространственной чётности означает, что физические явления и процессы не инвариантны относительно зеркального отражения. Такое нарушение возникает в результате слабого взаимодействия, переносчиками которого являются тяжёлые W± и Z0 бозоны. Исследование эффектов несохранения чётности (ЭНЧ) в атомных системах представляет собой фундаментальный интерес. Это обусловлено возможностью проведения высокоточных исследований ЭНЧ, позволяющих тестировать электрослабый сектор Стандартной Модели (СМ) , а также сильной чувствительностью таких эффектов к различным расширениям СМ. В атомных системах эффект несохранения чётности впервые был экспериментально обнаружен в 1978 году в Новосибирске [1]. С тех пор было проведено множество экспериментов, направленных на измерение пространственной асимметрии в различных нейтральных атомах [2–4]. Наибольшая экспериментальная точность была достигнута для атома цезия 133Cs [5, 6]. Объединение этих экспериментальных данных с теоретическими вычислениями, проведенными на том же уровне точности (см. работы [7–9]), обеспечило наилучшую на сегодняшний день проверку электрослабого сектора СМ в низкоэнергетическом режиме. Однако, следует отметить, что, несмотря на значительный прогресс в теоретических вычислениях, точность экспериментальных значений всё еще выше точности теоретических. Это обусловлено сложностью проведения расчёта атомной структуры, а именно корреляционных эффектов, тяжёлого нейтрального атома. Теоретические расчёты в тяжёлых многозарядных ионах, где электрон-электронное взаимодействие подавлено по отношению к электрон-ядерному множителем 1/Z (Z – заряд ядра) обычно проводятся в рамках теории возмущений по межэлектронному взаимодействию, что позволяет добиться необходимой точности. Исследование ЭНЧ в лёгких атомах и ионах также представляет особый интерес в виду значительного прогресса в прецизионных спектроскопических экспериментах на установках типа EBIT (Electron Beam Ion Trap).

В работах [10,11] предлагалось проводить эксперимент с гелиеподобным ионом углерода (Z=6), основанный на близком расположении уровней 2^1S_0 and 2^3P_0. Приведённые в [10] оценки показывают перспективность данного направления исследований. Однако, соответствующие теоретические расчёты в гелиеподобном ионе углерода требуют полного учёта межэлектронной корреляции и до сих пор не проводились. В двухэлектронных системах такие вычисления могут быть выполнены с привлечением аппарата прецизионных вариационных волновых функций [12, 13].

2. Цель и задачи Проекта

Основной целью проекта является детальный расчёт спектра в гелиеподобном ионе углерода (Z=6) и его изотопах с полным учётом межэлектронного взаимодействия и низших релятивистских поправок и поиск наиболее выгодных условий для проведения экспериментов по обнаружению эффектов несохранения чётности.

3. Предлагаемые подходы и методы

Двухэлектронный атом, в частности гелиеподобный ион углерода (Z=6), представляет собой классическую атомную задачу трёх тел: два взаимодействующих электрона в кулоновском поле ядра. Наиболее прецизионным методом расчёта спектроскопических характеристик в лёгких двухэлектронных атомах и ионах является вариационный принцип Рэлея-Ритца. Основная идея вариационных вычиcлений заключается в выборе затравочной волновой функции с вариационными параметрами и последующей их оптимизацией для достижения минимального значения энергии искомого связанного состояния. Задача оптимизации в случае линейных вариационных коэффициентов может быть решена алгебраически. В последнее время значительный прогресс достигнут в вычислениях с использованием вариационных волновых функциях Хиллерасовского типа [12]. В предлагаемом проекте для получения волновых функций и энергий гелиеподобного иона углерода планируются использовать программу для численного решения атомной задачи трёх тел разработанную В.И. Коробовым (ОИЯИ г. Дубна) [12].

4. Научный задел по проекту

Ранее автором проекта уже проводились исследования спектров одно- и двухэлектронных атомов и многозарядных ионов. В частности, были проведены расчёты двух- и трёхфотонных переходов в многозарядных ионах водорода и гелия (см. работы [13, 14]). Кроме того в работе [14] был отработан метод прецизионных вариационных волновых функций для расчёта многофотонных переходов в атоме гелия. Были получены значения частот и вероятностей переходов в процессах с излучением двух и трёх эквивалентных фотонов. Также в недавней работе [15] были рассчитаны динамические штарковские сдвиги и уширение спектральных линий в атоме гелия в присутствии поля чернотельного излучения.

5. Ожидаемые результаты

Ожидается получить точные значения энергий для гелиеподобного иона углерода и его изотопов с точностью достаточной для оценки эффектов несохранения чётности. Основным результатом проекта будет получение детального спектра, с указанием энергий и времён жизни квазивырожденных состояний на которых возможно проведение экспериментальных исследований эффектов несохранения чётности.

6. Обоснование выбора принимающей организации.

Ранее автор проекта неоднократно участвовал в совместных с Техническим университетом Дрездена исследовательских работах. Результаты этих исследований отражены в публикациях [13,16,17,18 ]. Научная группа в которой работает автор проекта ведёт сотрудничество с Гюнтером Плюниеном уже более двадцати лет.

[1] Л. М. Барков и М. С. Золоторев, Письма в ЖЭТФ 27, 379 (1978).
[2] И. Б. Хриплович, Несохранение чётности в атомных явлениях (Наука, Москва, 1988).
[3] I. B. Khriplovich, Phys. Scr. T112, 52 (2004).
[4] J. S. M. Ginges and V. V. Flambaum, Phys. Rep. 397, 63 (2004).
[5] C. S. Wood, S. C. Bennett, D. Cho, B. P. Masterson, J. L. Roberts, C. E. Tanner, and C. E. Wieman, Science 275, 1759 (1997).
[6] S. C. Bennett and C. E. Wieman, Phys. Rev. Lett. 82, 2484 (1999); Phys. Rev. Lett. 83, 889 (1999).
[7] V. M. Shabaev, K. Pachucki, I. I. Tupitsyn, and V. A. Yerokhin, Phys. Rev. Lett. 94, 213002 (2005); V. M. Shabaev, I. I. Tupitsyn, K. Pachucki, G. Plunien, and V. A. Yerokhin, Phys. Rev. A 72, 062105 (2005).
[8] S. G. Porsev, K. Beloy, and A. Derevianko, Phys. Rev. Lett. 102, 181601 (2009).
[9] V. A. Dzuba, J. C. Berengut, V. V. Flambaum, and B. Roberts, Phys. Rev. Lett. 109, 203003 (2012).
[10] G. von Oppen, Parity violation in two-electron systems, Z. Phys. D 21, 181, (1991) .
[11] В. Г. Горшков и Л. Н. Лабзовский, Письма в ЖЭТФ, 19, 768 (1974); ЖЭТФ, 69, 1141 (1975).
[12] V.I. Korobov, Phys. Rev. A, 61 , 064503 (2000).
[13] T. Zalialiutdinov, D. Solovyev, L. Labzowsky, and G. Plunien, Phys Rev. A, 93, 012510 (2016)
[14] T. Zalialiutdinov, D. Solovyev, L. Labzowsky, J. Phys. B, 49, 5 (2016).
[15] T. Zalialiutdinov, D. Solovyev, L. Labzowsky, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 51 015003 (2018).
[16] T. Zalialiutdinov, D. Solovyev, L. Labzowsky, and G. Plunien Phys. Rev. A 91, 033417, (2015).
[17] T. Zalialiutdinov, D. Solovyev, L. Labzowsky, and G. Plunien, Phys. Rev. A 89, 052502, (2014).
[18] T. Zalialiutdinov, D. Solovyev, L. Labzowsky, and G. Plunien, Phys. Rev. A 96, 012512, (2018).

AcronymD. Mendeleev 2018
StatusActive
Effective start/end date15/11/1815/12/18