В проект включены задачи из области теории атома, в которых нужно либо обеспечить наличие некоторой симметрии (и это обеспечение нетривиально), либо наоборот, нетривиальным является отсутствие какой-то симметрии, либо речь идет о нарушениях обычной симметрии, приводящих к нетривиальным эффектам. Примером первой проблемы является необходимость введения брейтовской ширины уровней в задаче о каналах распада возбужденных состояний релятивистской многоэлектронной системы, например, многозарядного иона (задача 3 настоящего проекта). Без учета брейтовской ширины в расчетах таких распадов может быть нарушен принцип Паули. Таким образом учет брейтовской ширины уровней восстанавливает в этой задаче перестановочную симметрию Ферми-Дирака.
Пример проблемы второго типа - квадратичное (по полю) смешивание уровней противоположной четности в атоме внешним электрическим полем, не имеющим определенного направления, т.е. не обладающим цилиндрической симметрией однородного поля и вообще никакой симметрией (задача 2). Такое поле создается, например, тепловым (чернотельным) излучением. Нетривиальным здесь является тот факт, что это поле все-таки перемешивает уровни противоположной четности в атомах (квадратичным образом, т.е. во втором порядке по полю). В частности, смешиваются 2s и 2p уровни в атоме водорода. Последнее обстоятельство может оказаться весьма важным для описания космологической рекомбинации водорода в ранней Вселенной. Считается, что наличие метастабильного состояния 2s у атома водорода существенно влияет на скорость рекомбинации, поскольку его нерезонансный двухфотонный распад ведет к отрыву излучения от вещества. С другой стороны, считается, что оторвавшееся излучение имеет чернотельный характер. Тогда квадратичное смешивание этим излучением уровней 2s и 2p (до сих пор не учитывавшееся) может привести к тому, что 2s уровень перестанет быть метастабильным. Это может сильно повлиять на скорость космологической рекомбинации и тем самым на всю историю ранней Вселенной.
Третья проблема, над которой планируется работа в проекте - теоретическое исследование возможности наблюдения следствий существования бозона Хиггса в области низких энергий, в физике атомных систем. В принципе, эта проблема аналогична наблюдению (уже осуществленному) обмена Z-бозоном между электроном и ядром в атомных системах. Несмотря на то что Z-бозон почти столь же тяжелый, как бозон Хиггса, он наблюдается благодаря несохранению пространственной четности при таком обмене. Более того, будучи нерезонансным, этот эффект дает более жесткие ограничения на существование второго Z-бозона, чем резонансное рождение Z-бозона при высоких энергиях. В отличие от Z-бозона обмен H-бозоном между электроном и ядром в атомных системах не нарушает никакой четности. Однако важно то, что H-бозон является скаляром. Известно, что P,T-нечетное взаимодействие электрона с ядром может быть представлено только как скалярно-псевдоскалярное (но не векторно-псевдовекторное) взаимодействие. Поэтому обмен бозоном Хиггса при нарушении P,T-симметрии является естественным механизмом P,T-нечетного обмена. Поиски P,T-нечетных эффектов в атомных системах ведутся (пока безрезультатно) уже более 65 лет. Наиболее изученным является эффект существования ЭДМ у элементарных частиц, в частности у электрона. Во внешнем электрическом поле существование ЭДМ электрона приводит к линейному эффекту Штарка для атомных уровней, а также к прецессии спина электрона в электрическом поле. Было также показано, что ни в каком эксперименте с конкретной атомной системой невозможно различить эффект ЭДМ электрона от эффекта P,T-нечетного обмена во внешнем электрическом поле. Оценки показывают, что эффект ЭДМ и обмен H-бозоном могут быть примерно одной величины в рамках СМ. Поэтому для наблюдения обмена H-бозоном нужно достичь уровня эффекта, предсказываемого СМ. Этот уровень пока на 9 порядков ниже, чем верхняя граница, достигнутая в экспериментах по наблюдению прецессии спина электрона во внешнем электрическом поле. Поэтому задачей настоящего проекта является теоретическая разработка другого типа эксперимента по поиску P,T-нечетных эффектов - наблюдение вращения плоскости поляризации света, проходящего через вещество при наличии внешнего электрического поля. Есть надежда, что такой эксперимент окажется более точным благодаря успехам, достигнутым в последние десятилетия в ICAS (Intracavity Absorption Spectroscopy). При этом упомянутая выше верхняя граница может быть заметно сдвинута вниз.
Поиск универсальных T-неинвариантных (T - симметрия по отношению к обращению времени) взаимодействий в
природе является одной из наиболее значимых проблем современной физики фундаментальных взаимодействий.
Одним из наиболее ярких и обсуждаемых проявлений P,T-нечетных (P — пространственная четность) взаимодействий
является наличие у любой не являющейся истинно нейтральной частицы (например, электрона) ненулевого
электрического дипольного момента (ЭДМ). В настоящее время рекордные по точности экспериментальные
результаты, устанавливающие верхнюю границу для ЭДМ электрона (еЭДМ), принадлежат коллаборации ACME (США). В
таких экспериментах наблюдается прецессия спина электрона в электрическом поле (P,T-нечётный эффект) на
тяжелой двухатомной молекуле ThO. Однако этот результат все еще как минимум на 9 порядков превышает значение
еЭДМ, предсказываемое Стандартной моделью. В нашем проекте рассматривается альтернативный способ наблюдения
P,T-нечётных эффектов на атомах и молекулах - P,T-нечётный эффект Фарадея, т.е. вращение плоскости поляризации
света, проходящего сквозь пары атомов (молекул) в присутствии внешнего электрического поля. Для этих целей
предлагалось использовать возможности внутриполостной абсорбционной спектроскопии (ICAS), которая позволяет
отстраиваться от резонанса и увеличивать оптическую длину. В 2021 году был произведен аналитический расчет
дополнительного вклада в P,T-нечетный эффект Фарадея, который ранее не освещался в литературе, а именно, P,T-
нечетное электро-оптическое циркулярное двулучепреломление. Для обычного эффекта Фарадея аналогичный вклад
известен и обычно сильно подавлен по сравнению с основным вкладом зеемановского расщепления. Оказалось, что
дополнительный вклад P,T-нечетного электро-оптического циркулярного двулучепреломления в P,T-нечетный эффект
Фарадея для некоторых атомных систем может достигать нескольких процентов от основного вклада линейного
штарковского расщепления. Для анализа данных в будущих экспериментах по поиску P,T-нечетного эффекта Фарадея
необходимо будет учитывать оба вклада в рассматриваемый эффект. Для постановки обсуждаемого эксперимента в
полостях высокой добротности представляется важной задача о том, как зависит плотность атомов/молекул в основном
состоянии в области пересечения атомного/молекулярного и лазерного пучков в зависимости от входных параметров
(интенсивность света, число молекул в объеме ит.д.). В отчетном году был проведен аналитический вывод выражений
для этой зависимости с целью уточнения ранее полученных грубых оценок. Согласно этому расчету представляется
возможным увеличивать интенсивность лазера (т.е число фотонов в единицу времени) с целью улучшения статистики
эксперимента, при этом не «засвечивая» молекулы в пучке.
В рамках нашего проекта по задаче 2 были проведены теоретические и численные расчет тепловой поправки к
сечениям спонтанной и индуцированной рекмбинации, а также к сечению ионизации атома водорода. Кроме того,
были вычислены соответствующие парциальным величинам полные коэффициенты рекомбинации и ионизации.
Построенная нами теория позволила провести вычисления в широком диапазоне температур, охватывающим
лабораторные и астрофизические условия. В первом случае температуры соответствуют комнатной, а во втором
достигают нескольких тысяч кельвин. Нами было обнаружено, что если в случае лабораторных условий тепловая
поправка к парциальным величинам оказывается несущественной, то для астрофизических условий, ее величина может
значительно (вплоть до нескольких порядков) превышать вклад индуцированного перехода.
Наибольший интерес с точки зрения астрофизических исследований, однако, представляет тепловая поправка к
полным коэффициентам рекомбинации/ионизации. С учетом полученных результатов для парциальных величин, было
обнаружено, что соответствующий вклад расходится с учетом все большего числа состояний. В свою очередь, такие
явления широко обсуждались в литературе еще в конце 80-х годов прошлого века. Так было показана необходимость
введения дополнительного фактора, отвечающего за "живучесть" атомного уровня энергии. С учетом такой
регуляризации, нами были проведены численные расчеты тепловой поправки к полным коэффициентам
рекомбинации/ионизации для атома водорода. Итоговым выводом из проведенного исследования является, что
поправка находится на уровне 0.3% по отношению к "обычным" величинам. Вклад полученной поправки в степень
ионизации первичной плазмы при этом оказывается на уровне 0.2%. Стоит отметить, что на данном этапе
теоретических исследований микроволнового космического излучения требуется точность порядка 0.1%. Таким
образом, тепловая поправка, исследованная в рамках нашего проекта, может служить уточнением и с необходимостью
должна учитываться в дальнейших исследованиях рекомбинационных процессов ранней Вселенной.
В рамках задачи 3 впервые был проведён расчёт дифференциальных сечений процессов резонансного рассеяния
электронов на H- и He-подобных ионах строго в рамках КЭД. Для этого в рамках настоящего проекта была разработана
КЭД теория для корректного описания резонансного рассеяния электронов на многозарядных ионах. Основная
сложность заключалась в учёте интерференции кулоновского рассеяния и резонансного канала, который идёт за счёт
образования и последующего распада автоионизационных состояний. Также в рамках настоящего проекта были
изучены двухфотонные процессы такие, как двухфотонный переход из 2s состояния в 1s и двухфотонная электрон-
позитронная аннигиляция. Особое внимание было уделено изучению различных асимметрий таких переходов. В
частности впервые была описана асимметрия в вылете правых и левых фотонов в 2s-1s переходе. Обнаруженная
асимметрия может быть использована для исследования процессов несохранения чётности, где необходимо наличие
пучка поляризованных ионов. В частности, эта асимметрия может применяться для измерения поляризации пучка
ионов. Сейчас регистрация фотонов с определённой правой или левой поляризацией возможна только при очень
малой энергии фотонов. Эффекты несохранения чётности значительно усиливаются в многозарядных ионах, но
фотоны при соответствующих переходах являются высокоэнергетическими. Обнаруженная асимметрия двухфотонного
перехода позволяет исследовать поляризацию пучка ионов за счёт измерения поляризации низкоэнергетического
фотона (поляризация второго высоко энергетического фотона при этом не регистрируется) при определённой
геометрии излучения фотонов. Обратный процесс может быть использован для получения поляризованных пучков
ионов.
Был аналитически рассчитан ранее не рассматриваемый дополнительный вклад в P,T-нечетный эффект Фарадея - P,T-
нечетное электро-оптическое циркулярное двулучепреломление на атомах. Для обычного эффекта Фарадея
аналогичный вклад известен и обычно сильно подавлен по сравнению с основным вкладом зеемановского
расщепления. Оказалось, что P,T-нечетный дополнительный вклад в P,T-нечетный эффект Фарадея для некоторых
атомных систем может достигать нескольких процентов от основного вклада линейного штарковского расщепления.
Для анализа данных в будущих экспериментах по поиску P,T-нечетного эффекта Фарадея необходимо будет учитывать
оба вклада в рассматриваемый эффект.
Для постановки обсуждаемого эксперимента в полостях высокой добротности представляется важной задача о том, как
зависит плотность атомов/молекул в основном состоянии в области пересечения атомного/молекулярного и лазерного
пучков в зависимости от входных параметров (интенсивность света, число молекул в объеме ит.д.). В отчетном году был
проведен аналитический вывод выражений для этой зависимости с целью уточнения ранее полученных грубых
оценок.
По задаче 2 были проведены теоретические вычисления и выполнен соответствующий численный расчет тепловой
поправки низшего порядка к сечениям рекомбинации и ионизации для атома водорода в диапазаоне температур
охватывающий лабораторные и астрофизические условия ранней Вселенной. В работе Atoms 9, 80 (2021)
обнаруженный тепловой вклад обсуждается как для конкретных состояний, так и для полных коэффициентов
спонтанной и индуцированной рекомбинации и полного коэффициента ионизации. Последние вычисляются путем
непосредственного суммирования всех парциальных величин. При этом расчет полных коэффициентов
рекомбинации/ионизации оказался весьма затруднительным как с точки зрения численного расчета, так и теории.
Теоретический анализ показал необходимость использования дополнительной регуляризации возникающих в данном
случчае расходящихся сумм. Методы такой регуляризации известны, но также требуют дополнительных
вычислительных ресурсов. Приобретенное в рамках проекта оборудование позволило существенно сократить время
численных расчетов. Таким образом, запланированные в отчетном году научные результаты по задаче 2 оказались
достигнуты.
По задаче 3 было проведено исследование процессов резонансного рассеяния электронов на H- и He-подобных
ионах. Исследования проводились строго в рамках КЭД теории. Особое внимание в исследовании уделялось
резонансной области энергии налетающего электрона, в которой энергия начального состояния (налетающий электрон
и 1s-электрон или (1s,1s) конфигурация) близки к энергиям автоионизационных состояний. Для описания изменения
поляризации была разработана специальная методика. Далее были исследованы двухфотонные процессы захвата
электрона голым ядром и процесс электрон-позитронной аннигиляции (также рассматривалась однофотонная
аннигиляция позитрона со связанным 1s-электроном). Особое внимание было уделено изучению асимметрии
двухфотонных процессов.
Был аналитически рассчитан ранее не рассматриваемый дополнительный вклад в P,T-нечетный эффект Фарадея - P,T-
нечетное электро-оптическое циркулярное двулучепреломление на атомах. Для обычного эффекта Фарадея
аналогичный вклад известен и обычно сильно подавлен по сравнению с основным вкладом зеемановского
расщепления. Оказалось, что P,T-нечетный дополнительный вклад в P,T-нечетный эффект Фарадея для некоторых
атомных систем может достигать нескольких процентов от основного вклада линейного штарковского расщепления.
Для анализа данных в будущих экспериментах по поиску P,T-нечетного эффекта Фарадея необходимо будет учитывать
оба вклада в рассматриваемый эффект.
Для постановки обсуждаемого эксперимента в полостях высокой добротности представляется важной задача о том, как
зависит плотность атомов/молекул в основном состоянии в области пересечения атомного/молекулярного и лазерного
пучков в зависимости от входных параметров (интенсивность света, число молекул в объеме ит.д.). В отчетном году был
проведен аналитический вывод выражений для этой зависимости с целью уточнения ранее полученных грубых
оценок.
По задаче 2 были проведены теоретические вычисления и выполнен соответствующий численный расчет тепловой
поправки низшего порядка к сечениям рекомбинации и ионизации для атома водорода в диапазаоне температур
охватывающий лабораторные и астрофизические условия ранней Вселенной. В работе Atoms 9, 80 (2021)
обнаруженный тепловой вклад обсуждается как для конкретных состояний, так и для полных коэффициентов
спонтанной и индуцированной рекомбинации и полного коэффициента ионизации. Последние вычисляются путем
непосредственного суммирования всех парциальных величин. При этом расчет полных коэффициентов
рекомбинации/ионизации оказался весьма затруднительным как с точки зрения численного расчета, так и теории.
Теоретический анализ показал необходимость использования дополнительной регуляризации возникающих в данном
случчае расходящихся сумм. Методы такой регуляризации известны, но также требуют дополнительных
вычислительных ресурсов. Приобретенное в рамках проекта оборудование позволило существенно сократить время
численных расчетов. Таким образом, запланированные в отчетном году научные результаты по задаче 2 оказались
достигнуты.
По задаче 3 было проведено исследование процессов резонансного рассеяния электронов на H- и He-подобных
ионах. Исследования проводились строго в рамках КЭД теории. Особое внимание в исследовании уделялось
резонансной области энергии налетающего электрона, в которой энергия начального состояния (налетающий электрон
и 1s-электрон или (1s,1s) конфигурация) близки к энергиям автоионизационных состояний. Для описания изменения
поляризации была разработана специальная методика. Далее были исследованы двухфотонные процессы захвата
электрона голым ядром и процесс электрон-позитронной аннигиляции (также рассматривалась однофотонная
аннигиляция позитрона со связанным 1s-электроном). Особое внимание было уделено изучению асимметрии
двухфотонных процессов.
1) Лабзовский Леонтий Нахимович, профессор -- задача 1. 10%
2) Андреев Олег Юрьевич, профессор -- задача 3. 9%
3) Соловьев Дмитрий Анатольевич, с.н.с. -- задача 2. 9%
4) Залялютдинов Тимур Амирович, доцент -- задача 2. 9%
5) Чубуков Дмитрий Валерьевич, инженер -- задача 1. 9%
6) Васильева Дарья Михайловна, аспирантка -- задача 3. 9%
7) Князева Виктория Александровна, аспирантка -- задача 3. 9%
8) Аникин Алексей Андреевич, студент -- задача 2. 9%
9) Кутузов Василий Николаевич, студент -- задача 1. 9%
10) Чеховской Сергей Дмитриевич, студент -- задача 1. 9%
11) Ежовкин Дмитрий Владимирович, студент -- задача 3. 9%
| Краткое название | Теоретические исследования эффектов, вызванных наличием или отсутствием определенных симметрий, в физике атомных систем |
|---|
| Акроним | RSF_RG_2017 - 5 |
|---|
| Статус | Завершено |
|---|
| Эффективные даты начала/конца | 1/01/21 → 31/12/21 |
|---|
