Наука и образование

В НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ предложили молекулярный ион AcOH+ для поиска эффектов нарушения симметрий фундаментальных взаимодействий

Спектроскопические эксперименты с использованием атомных и молекулярных систем в последние десятилетия стали одним из основных источников информации о фундаментальных силах, нарушающих как симметрию пространственной инверсии (P), так и инвариантность относительно обращения времени (T) [1]. В частности, эксперимент с молекулой монооксида тория ThO, выполненный международной коллаборацией ACME [2], позволил установить наиболее жесткое на данный момент ограничение на электрический дипольный момент (ЭДМ) электрона. Сейчас несколькими группами экспериментаторов ведётся подготовка экспериментов нового поколения по поиску ЭДМ электрона, а также ядерных моментов, обусловленных существованием в ядрах атомов взаимодействий между нуклонами, которые нарушают симметрии T и P – шиффовского и магнитного квадрупольного моментов [1, 3].

Для успешного проведения подобного эксперимента изучаемый объект должен обладать парой состояний противоположной чётности, близко расположенных друг к другу по энергии. В молекулах энергетический зазор между такими состояниями может быть на несколько порядков меньше, чем в атомах, что ведёт к соответствующему усилению эффекта. Величина эффектов, нарушающих симметрии T и P, также быстро растёт при переходе к наиболее тяжелым элементам с большими зарядами ядер. Выбор системы для проведения эксперимента не в последнюю очередь определяется удобством работы с ней (в том числе доступностью и временем жизни изотопов в случае радиоактивных молекул), а также временами жизни состояний системы, на которых проводятся измерения. Для поиска ЭДМ электрона и магнитных квадрупольных моментов ядер оптимальны парамагнитные системы, имеющие неспаренные электроны.

Принципиально новая система подобного рода – молекулярный катион моногидроксида актиния AcOH⁺ – была предложена сотрудниками Лаборатории квантовой химии (ЛКХ) Отделения перспективных разработок НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ Александром Олейниченко, Леонидом Скрипниковым и Андреем Зайцевским в соавторстве с Виктором Фламбаумом (Университет Нового Южного Уэльса, Сидней, Австралия) [4]. Перспективность работы с ионом AcOH⁺ определяется следующими его особенностями.

Во-первых, это первый линейный многоатомный ион, содержащий тяжёлый атом, для которого теоретически предсказана возможность лазерного охлаждения. Такое охлаждение практически полностью «выключает» допплеровское уширение спектральных линий, а значит, охлаждение является фактически ключом к спектроскопическим экспериментам с крайне высокой разрешающей способностью. Будучи положительно заряженным ионом, AcOH⁺ имеет определённые преимущества с точки зрения манипуляции им: заряженный ион можно затормозить электрическим полем, а затем «запереть» в квадрупольной ловушке и доохладить его до сверхнизких температур. Электронный переход, предложенный в качестве рабочего для процесса лазерного охлаждения AcOH⁺ эффективно локализован на атоме актиния и практически не затрагивает химические связи в молекуле при электронном возбуждении. Для иона AcOH⁺ предельно достижимая температура охлаждения была оценена в 4 нанокельвина, что существенно ниже температур, которые могут быть достигнуты для нейтральных молекул, рассмотренных на настоящий день.

Во-вторых, характерной особенностью линейных трёхатомных молекул является наличие пары уровней противоположной чётности, возникающих вследствие взаимодействия вращательной и колебательной степеней свободы. Величина расщепления между этими уровнями особенно мала для тяжелых молекул. Выполненная оценка показывает, что для AcOH⁺ это расщепление должно составлять порядка 15 МГц, что делает возможной значительную поляризацию таких ионов уже при весьма скромных значениях напряженности внешнего электрического поля (порядка 100 В/см).

Наконец, для элемента актиния известны 29 изотопов, 13 из которых имеют времена жизни порядка минуты и больше (для изотопа ²²⁷Ac время жизни составляет около 22 лет). Подобное разнообразие изотопов, сильно отличающихся друг от друга свойствами, даёт возможность планировать самые разные эксперименты по поиску нарушающих чётность взаимодействий. Так, ядра изотопа ²²⁴Ac характеризуются нулевым спином, что является преимуществом для экспериментов по поиску ЭДМ электрона. Напротив, для ядер ²²⁵Ac и ²²⁷Ac были указаны октупольные деформации. Согласно выполненным теоретическим оценкам, наличие такой деформации может приводить к высоким значениям шиффовских и магнитных квадрупольных моментов. Важным для будущих экспериментов с соединениями актиния обстоятельством представляется также то, что изотопы актиния в настоящее время вполне доступны, а изотоп ²²⁵Ac даже применяется в радиомедицине.

Описанные особенности молекулярного иона AcOH⁺, а также вычисленные значения эффективного электрического поля на ядре Ac, параметра электрон-ядерного псевдоскалярно- скалярного T,P-нечетного взаимодействия и параметра взаимодействия, индуцированного магнитным квадрупольным моментом ядра, позволяют говорить о весьма высокой перспективности этой системы как объекта нового поколения экспериментов по поиску эффектов нарушения симметрий фундаментальных взаимодействий.

Релятивистские расчёты, представленные в работе, были выполнены с использованием программных средств, разработанных сотрудниками ЛКХ. В частности, для моделирования электронных состояний использовался релятивистский метод связанных кластеров, реализованный в программе EXP-T [5] (А.В. Олейниченко, А.В. Зайцевский, Э. Элиав). При вычислении T,P-нечётных свойств использовалась программа OneProp [6] (Л.В. Скрипников). В расчётах также использовались комбинированные схемы, включающие метод обобщённого релятивистского потенциала остова, разработанный сотрудниками ЛКХ [7] (Н.С. Мосягин, А.В. Титов).

[1] R. Alarcon et al, arXiv:2203.08103 [hep-ph] (2022).

[2] V. Andreev, D. Ang, D. DeMille, J. Doyle, G. Gabrielse, J. Haefner, N. Hutzler, Z. Lasner, C. Meisenhelder, B. O’Leary, et al. Nature 562, 355 (2018).

[3] J. S. M. Ginges, V. V. Flambaum. Phys. Rep. 397, 63 (2004).

[4] A. V. Oleynichenko, L. V. Skripnikov, A. V. Zaitsevskii, V. V. Flambaum Phys. Rev. A, 105, 022825 (2022).105A. V. Oleynichenko, L. V. Skripnikov, A. V. Zaitsevskii, V. V. Flambaum Phys. Rev. A, 105, 022825 (2022).

[5] http://qchem.pnpi.nrcki.ru/expt

[6] L.V. Skripnikov, J. Chem. Phys. 145, 214301 (2016)145L.V. Skripnikov, J. Chem. Phys. 145, 214301 (2016)

[7] http://qchem.pnpi.nrcki.ru/recp