Эффекты несохранения чётности в двухфотонных переходах в гелиеподобном ионе углерода

Project

Description

1. Постановка задачи.
Один из наиболее важных тестов стандартной модели физики элементарных частиц в низкоэнергетическом режиме - изучение эффектов нарушения пространственной чётности в атомах [1-4]. На сегодняшний день наивысшая экспериментальная и теоретическая точность достигнута в экспериментах с атомом цезия и позволяет проверить радиационные поправки к углу Вайнберга [5-9]. Из-за Р-нечётного взаимодействия, каждое электронное состояние имеет небольшую примесь состояний с противоположной четностью.  Величина смешивания зависит от двух факторов: (1) степени перекрытия электронных волновых функций с распределением заряда ядра и (2) разности энергий между состояниями противоположной чётности. Гелиеподобный углерод является перспективной атомной системой для наблюдения ЭНЧ в атомах, так как ядерное перекрытие волновых функций 2^3P_0 и 2^1S_0 состояний велико, а сами уровни являются квазивырожденными. Однако эксперимент с использованием гелиеподобного иона углерода во многих отношениях отличается от эксперимента с использованием атома цезия. Гелиеподобный углерод доступен только в ионных пучках, и поэтому эксперимент требует техники производства и хранения ионов в установках типа Electron Beam Ion Trap (EBIT) или накопительных кольцах.С новым поколением ускорителей и установок типа EBIT в настоящее время становится возможным производство моноэнергетических пучков гелиеподобных ионов в возбужденных состояниях. Основная цель предлагаемого проекта изучить конкретную схему возможного эксперимента на основе двухфотонного Е1М1 перехода 2^3P_0 → 1^1S_0, который происходит с примесью двухфотонного Е1E1 перехода 2^1S_0 → 1^1S_0 нарушающего чётность [12-14].
2. Цель и задачи проекта
Этот проект является продолжением предыдущего исследования ЭНЧ в гелиеподобном ионе углерода (Z = 6) и его изотопах в котором рассматривались схемы экспериментов с однофотонным излучением. Для анализа перспектив предлагаемого эксперимента планируется рассчитать величину нарушающего чётность взаимодействия, вероятности двухфотонных переходов и степень циркулярной поляризации излучения.
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 [15]. 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) [15].
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 [16, 17]). Кроме того в работе [17] 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 [17] были рассчитаны динамические штарковские сдвиги и уширение спектральных линий в атоме гелия в присутствии поля чернотельного излучения. Ранее автор проекта неоднократно участвовал в совместных с Техническим университетом Дрездена исследовательских работах. Результаты этих исследований отражены в публикациях [16-21]. Научная группа в которой работает автор проекта ведёт сотрудничество с Гюнтером Плюниеном уже более двадцати лет. Кроме того Технический университет Дрездена обладает новейшими установками типа EBIT на которых возможна экспериментальная  проверка полученных в рамках проекта результатов.
[1] L. M. Barkov and M. S. Zolotorev, JETP Letters 27, 379 (1978). [2] I. B. Khriplovich, Parity nonconservation in atoms (in Russian), Nauka, Moscow,(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] V. G. Gorshkov and L. N. Labzovskii, JETP Letters, 19, 768 (1974); JETP, 69, 1141(1975).[12] A. Schäfer., G. Soff, P. delicato, B. Müller, & W. Greiner, Phys. Rev. A 40 (12) (1989).[13] R. W. Dunford, Phys. Rev. A 54 (5), 3820–3823 (1996).[14] E. G. Drukarev, and A. N. Moskalev, JETP. 46, 1078 (1977).[15] V. I. Korobov, Phys. Rev. A, 61 , 064503 (2000).[16] T. Zalialiutdinov, D. Solovyev, L. Labzowsky, and G. Plunien, Phys Rev. A, 93, 012510 (2016).[17] T. Zalialiutdinov, D. Solovyev, L. Labzowsky, J. Phys. B, 49, 5 (2016).[18] T. Zalialiutdinov, D. Solovyev, L. Labzowsky, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 51 015003 (2018).[19] T. Zalialiutdinov, D. Solovyev, L. Labzowsky, and G. Plunien Phys. Rev. A 91, 033417,(2015).[20] T. Zalialiutdinov, D. Solovyev, L. Labzowsky, and G. Plunien, Phys. Rev. A 89, 052502, (2014).[21] T. Zalialiutdinov, D. Solovyev, L. Labzowsky, and G. Plunien, Phys. Rev. A 96, 012512, (2018).[22] U. Kentsch, S. Landgraf, G.Zschornack, F. Grossmann, V. P. Ovsyannikov, & F. Ullmann, Dresden EBIT: Results and perspectives. Review of Scientific Instruments, 73(2),660–662, (2002).

Layman's description

Данный проект является продолжением предыдущего исследования эффектов несохранения четности в гелиеподобном ионе углерода (Z = 6) и его изотопах в котором рассматривались схемы экспериментов с однофотонным излучением. В настоящем проекте для анализа перспектив предлагаемого эксперимента планировалось также рассчитать величину нарушающего чётность взаимодействия для экспериментов с двухфотонным поглощением, вероятности двухфотонных переходов и степень циркулярной поляризации излучения.

Key findings for the project

Были проведены прецизионные численные расчёты для экспериментов по поиску эффектов несохранения чётности предложенных в работах [1-3], подготовлены волновые функции всех необходимых состояний для гелиеподобного углерода. Для расчёта использовался вариационный метод, полностью учитывающий межэлектронную корреляцию [4]. С применением скоррелированных вариационных волновых функций посчитана степень циркулярной поляризации для схемы эксперимента, рассмотренной в работе [1]. Полученные результаты находятся на стадии финального обсуждения и планируются к публикации в высокорейтинговом журнале.

[1] A. Schäfer., G. Soff, P. delicato, B. Müller, & W. Greiner, Phys. Rev. A 40 (12) (1989).
[2] R. W. Dunford, Phys. Rev. A 54 (5), 3820–3823 (1996).
[3] E. G. Drukarev, and A. N. Moskalev, JETP. 46, 1078 (1977).
[4] V. I. Korobov and S. V. Korobov, Phys. Rev. A 59, 3394 (1999).

Key findings for the stage (in detail)

Гелиеподобный углерод является перспективной атомной системой для наблюдения ЭНЧ в атомах, так как ядерное перекрытие волновых функций 2^3P_0 и 2^1S_0 состояний велико, а сами уровни являются квазивырожденными. Однако эксперимент с использованием гелиеподобного иона углерода во многих отношениях отличается от эксперимента с использованием атома цезия. Гелиеподобный углерод доступен только в ионных пучках, и поэтому эксперимент требует техники производства и хранения ионов в установках типа Electron Beam Ion Trap (EBIT) или накопительных кольцах. С новым поколением ускорителей и установок типа EBIT в настоящее время становится возможным производство моноэнергетических пучков гелиеподобных ионов в возбужденных состояниях. В ходе работы над проектом проводился детальный расчет конкретной схемы возможного эксперимента на основе двухфотонного Е1М1 перехода 2^3P_0 → 1^1S_0, который происходит с примесью двухфотонного Е1E1 перехода 2^1S_0 → 1^1S_0 нарушающего чётность [1-3].

Были проведены прецизионные численные расчёты для экспериментов по поиску эффектов несохранения чётности предложенных в работах [1-3], подготовлены волновые функции всех необходимых состояний для гелиеподобного углерода. Для расчёта использовался вариационный метод, полностью учитывающий межэлектронную корреляцию [4]. С применением скоррелированных вариационных волновых функций посчитана степень циркулярной поляризации для схемы эксперимента, рассмотренной в работе [1]. Полученные результаты находятся на стадии финального обсуждения и планируются к публикации в высокорейтинговом журнале.

[1] A. Schäfer., G. Soff, P. delicato, B. Müller, & W. Greiner, Phys. Rev. A 40 (12) (1989).
[2] R. W. Dunford, Phys. Rev. A 54 (5), 3820–3823 (1996).
[3] E. G. Drukarev, and A. N. Moskalev, JETP. 46, 1078 (1977).
[4] V. I. Korobov and S. V. Korobov, Phys. Rev. A 59, 3394 (1999).
AcronymD. Mendeleev 2019
StatusFinished
Effective start/end date1/11/191/12/19