Поиск новой физики на молекулах

Среда, 02 мая 2018

Один из двух полученных НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ в 2018 году грантов Российского Научного Фонда (РНФ) выиграли сотрудники лаборатории квантовой химии Отделения перспективных разработок. Грант получен на реализацию инициативного проекта «Поиск новой физики на молекулах».

Новая физика – это физика за рамками Стандартной Модели элементарных частиц (СМ). Хотя к настоящему времени экспериментально не обнаружены элементарные частицы, которые не описываются в рамках СМ, существует целый ряд явлений, таких как наличие тёмной материи, асимметрия вещества и антивещества во Вселенной и другие эффекты, которые СМ не объясняет.

Одной из наиболее интересных задач по поиску «новой физики» является измерение электрического дипольного момента электрона, еЭДМ. Важнейшим достоинством экспериментов по поиску еЭДМ и других эффектов, нарушающих пространственную четность и временную инвариантность, которые в настоящее время выполняются на атомах, молекулах и твердых телах, является экономичность, компактность и уникальная точность. В недавно проведенных экспериментах на молекулах удалось достичь новых ограничений на еЭДМ: |de|< 9·10-29 е·см на молекуле ThO в пучке [1] и |de|< 13·10-29 е·см на катионе 180Hf19F+, удерживаемом в ловушке [2]. Следует отметить, что эксперименты на ThO и 180Hf19F+ дают сравнимое ограничение на еЭДМ, но были проведены с использованием совершенно разных методик, что важно для подтверждения достоверности полученных ограничений. Ожидается дальнейшее улучшение чувствительности (статистической) экспериментов до порядка величины за счет увеличения плотности молекул ThO в пучке и числа катионов 180Hf19F+в ловушке, причем для молекулы ThO новый результат ожидается уже в течение текущего года. Подготавливаются эксперименты на других молекулах 180Hf19F+ [2, 3], PbF [4, 5]. Вместе с тем ясно, что увеличивать статистическую точность целесообразно только до уровня систематических ошибок, присущих рассматриваемым системам. Важность понимания систематических ошибок (величин всех возможных вкладов) критически возрастает по мере увеличения чувствительности эксперимента [6-9].

В проекте РНФ, выигранном сотрудниками лаборатории квантовой химии, предполагается проведение подробного теоретического анализа систематических ошибок в экспериментах на молекулах, наиболее перспективных для поиска еЭДМ и других эффектов несохранения пространственной четности и временной инвариантности (Т, Р -нечетных эффектов). Будут также рассмотрены способы «устранения» (контроля) наиболее важных из них. Такой анализ сводится к теоретическому исследованию магнитной дипольной сверхтонкой структуры, эффектов Штарка и Зеемана, в том числе динамических.

Одной из целей проекта будет также усовершенствование существующего подхода для оценки качества расчета эффективного поля на электроне, которое является одной из ключевых характеристик при определении перспективности молекул для поиска еЭДМ. Фактически, в настоящее время наши теоретические исследования не менее важны, чем непосредственно эксперимент, выполняемый научными группами в США.

Холодные молекулы (с температурой ниже 1 мК) предоставляют уникальные возможности в том числе для прецизионного измерения и других (отличных от еЭДМ) величин. Группой ученых из НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ будет выполнен расчет всех требуемых свойств молекулы RaF, перспективность которой для прямого лазерного охлаждения была продемонстрирована в работе [10]. В настоящее время обсуждается возможность подготовки серии экспериментов на этой молекуле в Институте в коллаборации с СПбГУ и другими научными центрами. Кроме того, как выяснилось, многоатомные лазерно-охлаждаемые молекулы с тяжелыми атомами в ряде случаев могут иметь преимущества перед двухатомными молекулами в поиске еЭДМ и других P,T-нечетных свойств [11, 12].

Исследования с холодными многоатомными молекулами находятся на самой ранней стадии и поэтому возможности исследования фундаментальных симметрий на таких молекулах нуждаются в дополнительном изучении, которое группа ученых из НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ намерена предпринять. Отметим также, что разрабатываемые в проекте подходы могут быть применены и для решения других актуальных задач физики молекул, квантовой механики и смежных дисциплин.

 

Литература:

  1. J Baron, et. al. Science, 343, 269 (2014).
  2. William B. Cairncross, et. al. PRL, 119, 153001 (2017).
  3. Loh H. et. al., Science, 342, 1220-1222 (2013).
  4. D. Alphei Lukas et. al. Phys. Rev. A, 83, 040501(R) (2011).
  5. L.V. Skripnikov. Phys. Rev. A, 92, 032508 (2015).
  6. A.N. Petrov, et al. Phys. Rev. A, 89, 062505 (2014).
  7. J Baron, et. al. New J. Phys., 19, 073029 (2017).
  8. A.N. Petrov, Phys. Rev. A, 95, 062501 (2017).
  9. A.N. Petrov, arXiv:1705.02532 [physics.atom-ph] (PRA submitted).
  10. T.A. Isaev, S. Hoekstra, and R. Berger. Phys. Rev. A, 82, 052521 (2010).
  11. I. Kozyryev and N. Hutzler. Phys. Rev. Lett., 119, 133002 (2017).
  12. T. Isaev, A. Zaitsevskii, and E. Eliav, J. Phys B: At. Mol. Opt. Phys., 50, 225101 (2017).
Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт