Исследование свойств ядра с использованием атомных и молекулярных систем
Понедельник, 27 апреля 2020Ученые НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ уточнили магнитные моменты тяжёлых ядер, необходимые для проверки фундаментальных физических теорий.
Одним из наиболее важных свойств ядра является его магнитный момент. Эта характеристика оказывается краеугольным камнем при решении множества фундаментальных задач, где используются прецизионные измерения многозарядных ионов, нейтральных атомов и молекул. Так, недавнее уточнение магнитного момента ядра висмута (209Bi) позволило решить загадку сверхтонкой структуры висмута [1]. Проблема заключалась в том, что теоретические предсказания сверхтонких расщеплений в водородоподобном и литий-подобном ионе Bi, сделанные в 2001 году [2], сильно разошлись с экспериментальными данными, полученными учеными из Германии [3]. Основной интерес к этой задаче был связан с тестированием предсказаний квантовой электродинамики в сверхсильных электрических и магнитных полях. Оказалось, что проблема состояла в том, что указанное во всех справочниках значение магнитного момента ядра стабильного изотопа висмута было неправильным. Для решения этой задачи сотрудником лаборатории квантовой химии отделения перспективных разработок Л.В. Скрипниковым был развит метод на основе теории релятивистских связанных кластеров для вычисления константы экранирования внешнего магнитного поля на ядре электронными оболочками молекул. Этот подход позволил на новом уровне точности выполнить интерпретацию экспериментальных данных по ядерному магнитному резонансу соединения, содержащего висмут.
После решения этой «частной» проблемы сверхтонкой структуры соединений висмута оказалось, что она не единственная. Ещё в 1998 году были выполнены сложные эксперименты по измерению сверхтонкого расщепления в водородоподобном ионе свинца (207Pb81+). Несмотря на все усилия как экспериментаторов, так и теоретиков, прямое сравнение экспериментальных данных с теоретическими предсказаниями оказалось затруднено из-за большой погрешности значения магнитного момента ядра свинца. Для решения этой задачи в рамках коллаборации учёных НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, СПбГУ и Германии был выполнен новый эксперимент по ядерному магнитному резонансу соединения свинца и выполнена его надёжная интерпретация. В этот раз удалось добиться ещё более высокой точности [4] благодаря применению усовершенствованных теоретических подходов. Полученное значение магнитного момента, 0.59102(18) μN, существенно отличается от того, что даётся в справочных таблицах (0.592583(9) μN). Работа опубликована в междисциплинарном журнале Physical Review Research.
Точные значения магнитных моментов тяжёлых ядер важны и для проверки предсказаний релятивистской электронной теории, которая используется для интерпретации атомных и молекулярных экспериментов по поиску эффектов нарушения симметрий фундаментальных взаимодействий. Кроме того, магнитные моменты стабильных ядер используются для установления достаточно точных значений магнитных моментов короткоживущих ядер. Одних только данных, которые получаются в экспериментах, здесь оказывается недостаточно [5]. Это означает, что уточнение магнитного момента стабильного изотопа ведёт и к уточнению магнитных моментов целого набора короткоживущих ядер.
Теоретическое исследование свойств и структуры ядер с использованием атомно-молекулярных систем – это одно из направлений исследований Лаборатории квантовой химии НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, куда вовлечены её молодые сотрудники. Этот проект был недавно поддержан в рамках Президентской программы исследовательских проектов РНФ # 19-72-10019.
1. L.V. Skripnikov, S. Schmidt, et al, Phys. Rev. Lett., 120, 093001 (2018).
2. V. M. Shabaev, A. N. Artemyev, et al Phys. Rev. Lett. 86, 3959 (2001).
3. J. Ullmann, Z. Andelkovic, et al Nat. Commun. 8, 15484 (2017).
4. V. Fella, L.V. Skripnikov, et al Phys. Rev. Res. 2, 013368 (2020).
5. S. D. Prosnyak, D.E. Maison, L.V. Skripnikov, J. Chem. Phys. 152, 044301 (2020).
