Физики из Канады, Китая и России провели детальное вычисление энергий и ширин нескольких уровней пионного гелия. В своих расчетах они добились относительной погрешности в четыре миллиардных доли, что почти в тысячу раз точнее предыдущих расчетов. Такой точности будет достаточно, чтобы грядущий эксперимент с пионным гелием позволил существенно улучшить значение массы пиона. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Разные области экспериментальной физики обладают своим уровнем точности. Например, в физике элементарных частиц относительные погрешности в одну десятитысячную долю считаются рекордными, в то время как прецизионная атомная спектроскопия может похвастаться значением 10-15. По этой причине физики активно ищут возможности применить достижения спектроскопии к другим областям.

Большая работа в этом направлении связана со спектроскопическим исследованием экзотических атомов, то есть связанных состояний не только привычных электронов, нейтронов и протонов, но и менее долгоживущих частиц. Мы уже рассказывали, как физики смогли снять спектры мюонных атомов, антиводорода, мюония, антипротонного и пионного гелия. Эти исследования позволяют не только проверить выполнение различных симметрий, но и измерить массы частиц и их отношения с точностями, недостижимыми на ускорителях элементарных частиц.

К примеру, относительная погрешность измерения массы пиона достигает сегодня миллионной доли. Она определяется ширинами спектральных линий, которые измеряли экспериментаторы. Сейчас они заняты тем, что ищут новые линии и новые условия для эксперимента, и ожидается, что будущие точности вырастут на три порядка. А это значит, что теоретикам нужно также улучшить свои формулы.

Этим решила заняться группа физиков из Канады, Китая и России при участии Владимира Коробова (Vladimir Korobov) из Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Ориентируясь на ожидаемые точности эксперимента с пионным гелием, который в ближайшее время будет проведен в Институте Пауля Шеррера, теоретики довели относительную ошибку в вычислении спектральных линий этого экзотического атома до нескольких долей миллиарда.

Экспериментаторы получают пионный гелий, облучая пионами мишень с жидким гелием. С некоторой вероятностью пион вытесняет электрон в атоме гелия, образуя связанное состояние πHe+. В случае, когда пион задерживается на высоколежащей (главное квантовое число n порядка 16) циркулярной (орбитальное квантовое число l близко к n) орбите, экзотический атом существует достаточно долго, чтобы можно было исследовать его спектры. Затем пион релаксирует, что приводит к испусканию оже-электрона и поглощению ядром пиона с последующим распадом. Этот процесс определяет ширины уровней.

Для вычисления частоты спектральной линии необходимо сначала знать энергию каждого из двух состояний, обладающих своей парой квантовых чисел (n, l). Физики используют для этого аппарат квантовой электродинамики, в рамках которой ответ можно представить в виде разложения выражения для энергии по степеням постоянной тонкой структуры α (подробнее о том, как это происходит, читайте в материале «Щель в доспехах»). Заявленная точность потребовала от авторов включить в сумму члены четвертого и пятого порядка, что для пионного гелия никто еще не делал.

Члены четвертого порядка содержали релятивистские и радиационные поправки, а для вычисления поправок пятого порядка физики использовали формулы, выведенные для атома водорода — такого приближения оказалось достаточно для достижения нужной точности. Члены более низших порядков, помимо собственных значений нерелятивистского трехчастичного гамильтониана, содержали поправки на отдачу, конечность размеров ядра гелия и пиона, а также лидирующие радиационные поправки.

Построенная теория позволила вычислить энергии и ширины нескольких уровней пионного гелия, а также частоты и ширины соответствующих спектральных линий с относительной погрешностью в четыре миллиардные доли, что почти в тысячу раз точнее предыдущих расчетов. Особое внимание авторы уделили переходу (17,16)→(16,15), который, как ожидается, подробно исследуют экспериментаторы из Института Пауля Шеррера. Его частота составила 1 125 306,339 4(45) гигагерц. Не забыли ученые и про сдвиг частоты, вызванный столкновениями экзотического атома с соседними атомами (преимущественно атомами гелия). Для плотности мишени 2×1018 атомов на кубический сантиметр соответствующий сдвиг оказался равен 1,14×10−8 гигагерц.

Экзотические атомы исследуют не только по их спектрам, но и по продуктам распада. Примером этого может стать поиск нарушений CPT-симметрии в распадах ортопозитрония, про который мы рассказывали некоторое время назад.

«Щель в доспехах»)

Вась, ты не заболел?

Что уж нельзя о квантовой механике поговорить

о квантовой механике

В прекрасном обществе будущего не будет места 83-им моторам

тогда иди отседова

Я подумал, наверное, все уже обсуждают

тебе охраньщику трубы всё равно не понять

ты мой спаситель

Нучо, ура, что ли?

Японские физики напрямую увидели биения, возникающие при совпадении частот и волновых векторов сильно связанных магнонных и фононных мод. С помощью магнито-оптической микроскопии они узнали, что превращения магнонов в фононы и обратно в лютеций-железном гранате происходят за десятки наносекунд. Исследование опубликовано в Communications Physics.

Если наложить два периодических колебания со слегка отличающимися частотами, то результатом станут биения. Это такие колебания, амплитуда которых медленно убывает и возрастает с частотой, равной полуразности исходных частот. Их можно наблюдать, если связать два одинаковых маятника. В такой системе колебания пары в фазе и в противофазе (собственные колебания) обладают немного различающимися частотами. Из-за этого при произвольной разности фаз энергия будет периодически перетекать от одного маятника к другому, а колебания каждого маятника по отдельности будут представлять собой биения.

Этот механизм универсален для всех физических систем, в которых можно встретить колебания или волны. Квантовая физика не стала исключением, правда в микромире к волнам добавляется требование когерентности. Примерами таких квантовых колебаний можно считать осцилляции Раби и даже нейтринные осцилляции, то есть превращения нейтрино разных типов друг в друга из-за разницы их масс.

Складываться могут не только волновые функции и моды одного типа возбуждений, но и совершенно различные по своей природе колебания. Физики часто называют этот процесс гибридизацией, а результат их сложения — гибридными модами. Самый распространенный пример такой гибридизации — это поляритоны, то есть квазичастицы, соответствующие связи света с какими-либо возбуждениями в среде: звуком, зарядовыми волнами (плазмонами), экситонами и так далее.

Но связываться может не только свет. Физики знают, что на это способны еще волны колебаний решетки (фононы) и спиновые волны (магноны). Такие гибридные квазичастицы получили название магнонных поляронов. Сейчас их довольно активно исследуют, например, стало известно, что время их жизни может быть много больше, чем у чистых магнонов. Тем не менее, никто еще явно не наблюдал фонон-магнонных биений, то есть периодической перекачки энергии из одного типа возбуждения в другой.

Это удалось сделать группе японских физиков под руководством Эйдзи Сайто (Eiji Saitoh) из университета Тохоку. Для этого они возбуждали в пленке лютеций-железного граната Lu2Bi1Fe3,4Ga1,6O12, известного своим сильным магнито-оптическим эффектом и долгоживущей намагниченностью, спиновые волны с помощью лазерного импульса. Наблюдая за магнонами с помощью магнито-оптического микроскопа с временным разрешением, они убедились, что энергия спиновых волн периодически переходит именно в фононные возбуждения.

Импульсы накачки имели длину волны 800 нанометров, длительность 100 фемтосекунд и среднюю энергию равную одному микроджоулю. Они были сфокусированы на пленку толщиной 1,8 микрометров, находящейся в слабом магнитном поле, в виде вертикальной линии. Через некоторое варьируемое время физики направляли на образец зондирующие импульсы с длиной волны 630 нанометров, длительностью 100 фемтосекунд и энергией 50 наноджоулей. Они измеряли пространственное распределение угла, на который повернулась плоскость поляризации зондирующего луча под действием эффекта Фарадея. Это вращение в каждой точке образца характеризует локальную амплитуду прецессии намагниченности, спроецированную вдоль направления распространения зондирующего импульса. Меняя задержку между импульсами, авторы имели возможность наблюдать распространение магнонных возбуждений в динамике.

Японские физики напрямую увидели биения, возникающие при совпадении частот и волновых векторов сильно связанных магнонных и фононных мод. С помощью магнито-оптической микроскопии они узнали, что превращения магнонов в фононы и обратно в лютеций-железном гранате происходят за десятки наносекунд. Исследование опубликовано в Communications Physics.

Если наложить два периодических колебания со слегка отличающимися частотами, то результатом станут биения. Это такие колебания, амплитуда которых медленно убывает и возрастает с частотой, равной полуразности исходных частот. Их можно наблюдать, если связать два одинаковых маятника. В такой системе колебания пары в фазе и в противофазе (собственные колебания) обладают немного различающимися частотами. Из-за этого при произвольной разности фаз энергия будет периодически перетекать от одного маятника к другому, а колебания каждого маятника по отдельности будут представлять собой биения.



Этот механизм универсален для всех физических систем, в которых можно встретить колебания или волны. Квантовая физика не стала исключением, правда в микромире к волнам добавляется требование когерентности. Примерами таких квантовых колебаний можно считать осцилляции Раби и даже нейтринные осцилляции, то есть превращения нейтрино разных типов друг в друга из-за разницы их масс.

Складываться могут не только волновые функции и моды одного типа возбуждений, но и совершенно различные по своей природе колебания. Физики часто называют этот процесс гибридизацией, а результат их сложения — гибридными модами. Самый распространенный пример такой гибридизации — это поляритоны, то есть квазичастицы, соответствующие связи света с какими-либо возбуждениями в среде: звуком, зарядовыми волнами (плазмонами), экситонами и так далее.

Но связываться может не только свет. Физики знают, что на это способны еще волны колебаний решетки (фононы) и спиновые волны (магноны). Такие гибридные квазичастицы получили название магнонных поляронов. Сейчас их довольно активно исследуют, например, стало известно, что время их жизни может быть много больше, чем у чистых магнонов. Тем не менее, никто еще явно не наблюдал фонон-магнонных биений, то есть периодической перекачки энергии из одного типа возбуждения в другой.

Это удалось сделать группе японских физиков под руководством Эйдзи Сайто (Eiji Saitoh) из университета Тохоку. Для этого они возбуждали в пленке лютеций-железного граната Lu2Bi1Fe3,4Ga1,6O12, известного своим сильным магнито-оптическим эффектом и долгоживущей намагниченностью, спиновые волны с помощью лазерного импульса. Наблюдая за магнонами с помощью магнито-оптического микроскопа с временным разрешением, они убедились, что энергия спиновых волн периодически переходит именно в фононные возбуждения.

Импульсы накачки имели длину волны 800 нанометров, длительность 100 фемтосекунд и среднюю энергию равную одному микроджоулю. Они были сфокусированы на пленку толщиной 1,8 микрометров, находящейся в слабом магнитном поле, в виде вертикальной линии. Через некоторое варьируемое время физики направляли на образец зондирующие импульсы с длиной волны 630 нанометров, длительностью 100 фемтосекунд и энергией 50 наноджоулей. Они измеряли пространственное распределение угла, на который повернулась плоскость поляризации зондирующего луча под действием эффекта Фарадея. Это вращение в каждой точке образца характеризует локальную амплитуду прецессии намагниченности, спроецированную вдоль направления распространения зондирующего импульса. Меняя задержку между импульсами, авторы имели возможность наблюдать распространение магнонных возбуждений в динамике.

Изображения, получаемые в каждый момент времени, отражали сложный волновой характер намагниченности. Чтобы разобраться в нем, физики делали пространственное Фурье-преобразование снимков. На получавшихся спектрах выделялись два ярких пятна, соответствующих волновым векторам продольной и поперечной ветвей акустических фононов.

Временная развертка позволила выявить зависимость этих компонент от времени. Для случая, когда магнитное поле было сонаправлено распространению волны, физики увидели характерные биения для величины волнового вектора, соответствовавшего поперечным фононам. При этом амплитуда второго пятна затухала практически монотонно.

Такое поведение согласуется с теорией магнон-фононного взаимодействия. Согласно ей же биения должны исчезнуть в обоих случаях, если магнитное поле будет ориентированно перпендикулярно волновому вектору, что также увидели авторы. Вычисление временного Фурье преобразования позволило авторам вычислить частотные компоненты и построить дисперсионные соотношения магнонных поляронов. В них явно прослеживалось избегание пересечения дисперсионных кривых, характерное для гибридизации мод. Сравнение теории и эксперимента позволило измерить параметры магнон-фононной связи, а именно силу связи и времена жизни соответствующих возбуждений.

В проведенном эксперименте превращение магнонов в фононы происходило при равных или близких частотах. Тем не менее, такое возможно и тогда, когда частоты отличаются. Недавно российские и нидерландские физики показали, что для этого разницу резонансов можно восполнить терагерцовым излучением.

Астрофизики при помощи космической обсерватории Insight-HXMT впервые измерили напряженность магнитного поля вблизи поверхности ультраяркого рентгеновского источника, которым оказалась нейтронная звезда в двойной системе в Млечном Пути. Измеренное значение поля оказалось рекордно большим среди других подобных случаев наблюдений и составило 16 триллионов гаусс. Статья опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Ультраяркие источники рентгеновского излучения были открыты в конце прошлого века, а их природа до сих пор остается предметом споров среди астрофизиков. Они обладают светимостью более 1039 эрг в секунду и могут быть связаны с черными дырами промежуточных масс, окруженными обычными аккреционными дисками, или черными дырами звездных масс, окруженными аккреционными дисками со сверхкритическим режимом аккреции. Однако пульсации рентгеновского излучения, обнаруженные для ряда ультраярких рентгеновских источников, указывают на то, что некоторые из них являются аккрецирующими нейтронными звездами, обладающими сильным магнитным полем.

На сегодняшний день единственным доступным прямым методом измерения поверхностных магнитных полей у нейтронных звезд является обнаружение циклотронных линий поглощения в их рентгеновских спектрах. Линии образуются в результате рассеяния рентгеновских фотонов на электронах или протонах, движущихся в сверхсильных магнитных полях (более 1012 гаусс) вблизи поверхности аккрецирующего пульсара. Если говорить об ультраярких рентгеновских источниках, то наблюдения циклотронных линий в спектре источника ULX-8 в галактике М51 дают оценку поля от 1011 до 1015 гаусс, что в верхнем пределе похоже на значения полей для магнитаров. Рекорды прямых надежных измерений поверхностного магнитного поля у пульсаров принадлежат рентгеновской космической обсерватории Insight-HXMT, которая наблюдала пульсары GRO J1008-57 и 1A 0535+262 и дала оценки напряженности магнитных полей от 1012 до 1013 гаусс.

Группа астрономов во главе с Лин-Да Конгом (Ling-Da Kong) из Института физики высоких энергий Китайской академии наук сообщила о первом случае прямого достоверного наблюдения циклотронной линии у ультраяркого рентгеновского источника, а также самом большом значении напряженности поля, измеренном подобным образом. Наблюдения вела обсерватория Insight-HXMT в период с октября 2017 по февраль 2018 года, их целью был ультраяркий источник Swift J0243.6+6124, открытый в 2017 году.

Swift J0243.6+6124 с 2017 по 2018 год демонстрировал мощную вспышку рентгеновского излучения, пиковая светимость источника составляла 2×1039 эрг в секунду. У него была выявлена пульсация излучения с периодом 9,8 секунды, в дальнейшем было определено, что объект входит в эксцентрическую двойную систему с орбитальным периодом 27,6 дня, а его компаньоном является Be-звезда. Находится Swift J0243.6+6124 на расстоянии 22,1 тысячи световых лет от Солнца и был классифицирован как первый галактический ультраяркий источник рентгеновского излучения.

Электронная циклотронная линия поглощения в спектре Swift J0243.6+6124 наблюдалась в диапазоне энергий квантов от 120 до 146 килоэлектронвольт со статистической значимостью 6–18 сигма, когда источник находился в состоянии вспышки. Стоит отметить, что пиковая светимость источника больше, чем пределы сверхкритической и эддингтоновской светимости аккрецирующей нейтронной звезды. Расчеты дают значение нижнего предела напряженности поверхностного магнитного поля в 1,6×1013 гаусс, в предположении того, что источник представляет собой нейтронную звезду. Таким образом, измеренное значение магнитного поля оказывается рекордно большим среди всех нейтронных звезд, для которых проводились подобные наблюдения, и среди всех ультраярких рентгеновских источников.