Результаты группы являются значительным шагом на пути к проверке фундаментальных физических законов в условиях сильных электрических полей, которые человечество пока не смогло создать искусственно. Ожидается, что высокоэффективный и точный метод определения энергии рентгеновского излучения с использованием современной квантовой технологии, продемонстрированный в этом исследовании, будет применен в различных областях исследований, таких как методы неразрушающего элементного анализа с использованием мюонных атомов [6].

Открытие физических законов всегда было мечтой ученых. Они были найдены или предложены для объяснения наблюдаемых явлений, которые не могут быть поняты существующими теориями. Во многих случаях открытие новой физики требует разработки новых экспериментальных методов и повышения точности измерений. Наиболее точно проверенной теорией физических законов является квантовая электродинамика (КЭД), которая описывает микроскопические взаимодействия между заряженными частицами и светом. Ученые постоянно расширяют границы того, насколько КЭД точно описывает нашу физическую реальность.

В этой статье сотрудничество, включающее доктора Такуму Окумуру (постдокторский исследователь RIKEN на момент проведения исследования, в настоящее время доцент Токийского столичного университета), профессора Тошиюки Адзуму (главный научный сотрудник RIKEN), доктора Тадаши Хасимото (помощник главного научного сотрудника) Японского агентства по атомной энергии (JAEA), посетило Исследователь Хидэюки Тацуно из Токийского столичного университета, доцент Шинья Ямада из Университета Рикке, профессор Пол Инделикато из лаборатории Кастлера-Броссела, профессор Тадаюки Такахаши из Кавли IPMU, Токийский университет, профессор Коитиро Шимомура из Института изучения структуры материалов, KEK, профессор Синдзи Окада из Университета Чубу, ввели низкий уровень-скорость отрицательного мюонного пучка из установки J-PARC[7] в газообразный неон, и энергия характерных рентгеновских лучей, испускаемых получающимися атомами мюонного неона (Ne), была точно измерена с помощью детектора со сверхпроводящим датчиком переходного края (TES) [3]. Используя в полной мере превосходное энергетическое разрешение детектора TES, энергия мюонных характеристических рентгеновских лучей была определена с абсолютной погрешностью менее 1/10 000, а вклад поляризации вакуума [8] в квантовую электродинамику сильного поля был успешно подтвержден с высокой точностью 5,8 %.

Детектор TES изначально был разработан для космических рентгеновских наблюдений. Текущий проект Такахаши в Kavli IPMU заключается в проведении беспрецедентных междисциплинарных исследований с использованием этого детектора. В его команду входят доцент проекта Kavli IPMU Синъитиро Такеда, исследователь проекта Михо Кацурагава и аспирантка at-the-tune Кайри Мине, которая принимала участие в мюонных экспериментах.

Ожидается, что демонстрация коллаборацией экспериментальной методики с использованием мюонных атомов приведет к большому скачку вперед в изучении проверки КЭД в сильных электрических полях.

Подробности исследования были опубликованы онлайн (27 апреля 2023 года по японскому времени) до публикации в научном журнале Письма с физическим обзором (27 апреля 2023 года по японскому времени).

Фон Эффекты КЭД более выражены в средах с сильными электрическими полями, но в этом случае теоретические расчеты становятся более сложными. Следовательно, среда с сильным электрическим полем очень важна для проверки КЭД. В течение многих лет проводились эксперименты с использованием высокозаряженных ионов (HCIS), которые представляют собой атомы, лишенные множества электронов, в качестве подхода к созданию среды с сильным электрическим полем. Электрическое поле, ощущаемое связанными электронами в HCIs, становится сильнее по мере увеличения атомного номера, и экранирующий эффект [10] подавляется удалением многих электронов. Исследования HCI с использованием крупных ускорителей по-прежнему активно ведутся. Однако даже для HCI с большими атомными номерами нельзя игнорировать эффект конечного размера ядра. Было отмечено, что этот эффект точно не известен, и, таким образом, точность проверки КЭД, которая сравнивает экспериментальные результаты с теорией, значительно снижается.

Методология и результаты исследования Чтобы проверить КЭД в сильных электрических полях иным способом, чем с помощью HCIS, международные исследовательские группы сосредоточились на "экзотических атомах", в которых отрицательно заряженная частица связана с ядром вместо электрона. Среди множества экзотических атомов мюонные атомы состоят из отрицательных мюонов (элементарных частиц примерно в 200 раз тяжелее электронов) и ядер. Отрицательные мюоны в настоящее время могут быть извлечены в виде пучков из больших ускорителей. Мюонные атомы характеризуются чрезвычайно близостью отрицательного мюона к ядру, причем радиус орбиты связанного мюона составляет приблизительно 1/200 от радиуса орбиты связанного электрона. В результате электрическое поле, ощущаемое мюоном, примерно в 40 000 раз сильнее электрического поля, ощущаемого связанным электроном того же квантового уровня в HCI, что приводит к огромному эффекту КЭД. Кроме того, используя отрицательные мюоны, которые занимают высокие квантовые уровни углового момента с небольшим перекрытием с ядром, можно проводить эксперименты, в которых эффект конечного размера ядра в значительной степени подавляется. Путем точного измерения энергии мюонных характеристических рентгеновских лучей, испускаемых при понижении возбуждения мюонных атомов с определенного уровня на более низкие уровни, КЭД может быть проверена в сильном электрическом поле.

Таким образом, мюонные атомы являются многообещающей экспериментальной мишенью для проверки КЭД в сильном поле. Однако есть несколько проблем, которые необходимо преодолеть. Самый большой из них заключается в том, что некоторое количество мюонных атомов должно быть получено в изолированной среде. Присутствие атомов или молекул вблизи мюонных атомов может вызвать быстрый перенос электронов и изменить энергию мюонных характеристических рентгеновских лучей. Решение заключается в использовании мишеней из разбавленного газа с небольшой числовой плотностью (низкое давление), но при этом уменьшается количество образующихся мюонных атомов и результирующая интенсивность характерного рентгеновского излучения мюонов. Международная исследовательская группа провела эксперименты в Японском исследовательском комплексе протонных ускорителей (J-PARC) в Токай-мура, Ибараки, где доступен самый интенсивный в мире низкоскоростной мюонный пучок. Чтобы определить энергию с достаточной точностью даже при использовании мюонных характеристических рентгеновских лучей низкой интенсивности, эксперимент был проведен с использованием микрокалориметра со сверхпроводящим датчиком края перехода (TES), который является высокоэффективным рентгеновским детектором с высоким разрешением.

Использование редкого газа неона (₁₀Ne) атомы в качестве мишени, они достигли энергетического разрешения, которое на порядок выше, чем у обычных полупроводниковых детекторов (FWHM [11]: 5,2 эВ) в условиях разбавления 0,1 атм, и успешно измерили мюонные характеристические рентгеновские лучи. Показанные пики в основном обусловлены наложением мюонных характеристических рентгеновских лучей от шести различных переходов, и энергия мюонных характеристических рентгеновских лучей была определена с высокой точностью 0,002% путем анализа вкладов каждого из них.

Они повторили измерения, изменяя давление неоновой газовой мишени, и подтвердили, что энергия мюонных рентгеновских лучей постоянна в пределах экспериментальной погрешности независимо от давления неоновой газовой мишени. Таким образом, можно сделать вывод, что мюонные атомы неона находились в изолированной среде. Они сравнили последние теоретические расчеты с экспериментальными результатами и подтвердили, что они совпадают в пределах экспериментальной погрешности. Нам удалось проверить эффект поляризации вакуума в сильном электрическом поле с чрезвычайно высокой точностью - 5,8%. Это сопоставимо с точностью КЭД в сильном поле с использованием многозарядного иона урана U⁹¹⁺, что является наиболее точным наблюдением на сегодняшний день.

Дополнительное объяснение

[1] Мюонное характеристическое рентгеновское излучение Когда отрицательный мюон, связанный с ядром, понижает возбуждение с орбиты с более высокой энергией на орбиту с более низкой энергией, избыточная энергия испускается в виде рентгеновских лучей. Эти рентгеновские лучи обладают определенной энергией, зависящей от атома, и называются мюонными характеристическими рентгеновскими лучами.

[2] Мюонный атом, отрицательный мюон Мюоны являются одной из элементарных частиц и представляют собой второе поколение заряженных лептонов в стандартной модели. Существуют положительно или отрицательно заряженные мюоны, все они имеют 1/2 спина и среднее время жизни 2,2 микросекунды. Отрицательные мюоны распадаются на электроны, мюонные нейтрино и антиэлектронные нейтрино в результате слабых взаимодействий. Отрицательные мюоны примерно в 200 раз тяжелее электронов. Поскольку отрицательные мюоны имеют тот же отрицательный заряд, что и электроны, они ведут себя как "тяжелые электроны", связанные с положительно заряженным ядром, подобно электронам. Атом, состоящий из отрицательного мюона и ядра, называется мюонным атомом. Мюонный атом в конечном счете распадается из-за времени жизни отрицательного мюона или из-за захвата отрицательного мюона ядром.

[3] Микрокалориметр со сверхпроводящим переходным краем (TES) Микрокалориметр - это детектор, который определяет энергию рентгеновского излучения по повышению температуры, когда материал поглощает рентгеновские лучи. Микрокалориметр на границе сверхпроводящего перехода измеряет изменение температуры, вызванное поглощением рентгеновского излучения, используя резкое изменение электрического сопротивления вблизи фазового перехода сверхпроводимость - нормальная проводимость. TES расшифровывается как датчик переходного края.

[4] Квантовая электродинамика (КЭД) КЭД - это теория поля, которая рассматривает электромагнитные взаимодействия между заряженными частицами как вызванные обменом фотонами и преуспела в объяснении множества явлений, которые не могут быть поняты с помощью релятивистской квантовой механики.

[5] Экзотические атомы Атомы, образованные путем замены ядра и электронов, составляющих атом, другими заряженными частицами (позитронами, мюонами, антипротонами, пионами и т.д.), называются экзотическими атомами. Сочетание заряда и массы частиц, составляющих экзотический атом, сильно отличается от заряда электронов и ядер, поэтому экзотические атомы ведут себя уникальным образом, которого нет у обычных атомов.

[6] Метод неразрушающего элементного анализа с использованием мюонных атомов В качестве метода неразрушающего элементного анализа для неизвестных образцов широко используется измерение электронных характеристических рентгеновских лучей, испускаемых при облучении образца рентгеновскими лучами высокой энергии или электронными пучками. Однако рентгеновские лучи, испускаемые легкими элементами, такими как углерод и водород, обладают низкой энергией, что затрудняет проведение элементного анализа с достаточной точностью. Недавно был разработан метод неразрушающего элементного анализа с использованием мюонных характеристических рентгеновских лучей, которые испускаются при облучении образца материала отрицательным мюонным пучком. Поскольку мюонные характеристические рентгеновские лучи обычно обладают более высокой энергией, чем электронные характеристические рентгеновские лучи, этот метод обладает чрезвычайно высокой чувствительностью к световым элементам. Основанный на мюонах метод элементного анализа был использован для анализа образцов, привезенных с астероида "Рюгу", и его полезность была продемонстрирована.

[7] J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) J-PARC - это ускорительный комплекс, расположенный в Токай-мура, Ибараки, где проводятся передовые исследования в различных областях, таких как физика элементарных частиц и атомная физика, материалы и науки о жизни, с использованием самых интенсивных в мире протонных пучков. Мюонный научный экспериментальный центр MUSE находится в экспериментальном центре по материаловедению и наукам о жизни (MLF) в J-PARC.

[8] Поляризация вакуума Квантовые электродинамические эффекты, влияющие на атомную энергию мюонов, можно разделить на два основных типа: поляризация вакуума и собственная энергия. Согласно квантовой электродинамике, фотоны, которые ответственны за электромагнитные взаимодействия, постоянно повторяют реакции создания и аннигиляции виртуальных электрон-позитронных пар. Изменение энергии, связанное с созданием и аннигиляцией этих виртуальных электрон-позитронных пар, называется поляризацией вакуума. Связанные мюоны в мюонных атомах постоянно поглощают и испускают виртуальные фотоны, и изменение энергии, вызванное этим процессом, называется собственной энергией. Известно, что эффект поляризации вакуума особенно значителен при квантовых электродинамических воздействиях на мюонные атомы, а в случае мюонных атомов неона эффект поляризации вакуума более чем в 1000 раз превышает собственную энергию.

[9] Энергия перехода Согласно квантовой механике, мюоны и электроны, связанные с ядрами, занимают дискретные орбиты, причем их энергия также дискретизируется (квантуется). Дополнительная энергия, образующаяся при переходе частицы с орбиты с более высокой энергией на орбиту с более низкой энергией, называется энергией перехода. Во многих случаях энергия перехода излучается в виде электромагнитных волн (света или рентгеновских лучей).

[10] Экранирующий эффект В атоме с множеством электронов эффект заключается в том, что кулоновская сила между электронами и ядром, по-видимому, уменьшается из-за заряда оставшихся электронов.

[11] Полуширина Указывает ширину, равную половине значения наблюдения. Чем меньше это значение, тем выше разрешение наблюдения и тем точнее может быть измерено положение пика.

[12] Предел Швингера Согласно квантовой электродинамике, в очень сильных электрических полях, превышающих напряженность электрического поля 1,32 × 1018 В/м, электромагнитное поле проявляет нелинейные эффекты. Это ограничивающее электрическое поле называется пределом Швингера в честь физика Джулиана Швингера.