В поисках новой физики за пределами стандартной модели физики элементарных частиц значительное расхождение между теорией и экспериментом привлекает внимание, особенно в такой простой атомной системе, как гелий. Недавно появились доказательства расхождения в 9σ в энергии ионизации метастабильного триплетного состояния гелия-4 (⁴He).
Это выделяется как бельмо на глазу в области, где теория и эксперимент высокоточны и обычно согласуются. Однако при оценке достоверности расхождения всегда существует вероятность того, что что-то было упущено или неправильно рассчитано.
Теперь Глория Клаузен и Фредерик Меркт из Швейцарской федеральной политехнической школы Цюриха (ETH) опубликовали результаты своих последних исследований в серии высокоточных экспериментов. Их результаты указывают на то, что расхождение сохраняется, как и возможность того, что виновником является новая физика.
Определение энергий ионизации
Для определения энергий ионизации с достаточной точностью, чтобы сопоставить их с теорией, исследователи измеряют энергии возбуждения ряда состояний Ридберга. Это состояния, главное квантовое число $n$ которых составляет около 20 или выше. Энергия ионизации атома — это энергия, необходимая для удаления электрона, то есть для достижения состояния Ридберга с $n$, равным бесконечности. Её значение можно определить с высокой точностью путём надёжной экстраполяции из энергий возбуждения более низких состояний Ридберга.
В предыдущих экспериментах Клаузен, Меркт и их коллеги определили абсолютные энергии ионизации метастабильных состояний 1$s$2$s^3S1$ (триплет) и 1$s$2$s^1S0$ (синглет) с впечатляющей неопределённостью ±60 кГц (5,2 ppt) и ±32 кГц (33 ppt) соответственно.
Последний эксперимент Клаузен и Меркт
Последний эксперимент Клаузен и Меркт следовал тому же подходу, но на этот раз они применили его к метастабильному триплетному состоянию гелия-3 (³He). Используя перестраиваемый ультрафиолетовый лазер, они возбудили состояние до состояния Ридберга с $n$ в диапазоне 27–55. Они определили энергии возбуждения, измерив минимальное напряжение, необходимое для ионизации атомов ³He.
В отличие от ⁴He, у ³He ненулевой ядерный спин, что вносит дополнительные сложности. Тем не менее результаты показывают, что разница в зарядовых радиусах между гелием и альфа-частицей (ядрами ³He и ⁴He соответственно) согласуется со всеми предыдущими экспериментами, в которых измерялись свойства атомной структуры — за исключением, что важно, энергии ионизации.
Необходимость точных теоретических значений
Чтобы согласовать теоретические значения с экспериментальными, необходимы соответствующие точные теоретические значения как для метастабильных триплетных состояний $n$=2, так и для высоколежащих состояний Ридберга. Для решения квантово-механической задачи с точечным ядром используются высокоточные вариационные методы. В результате получаются волновые функции, которые практически точны в нерелятивистском пределе. Энергии, точные до 20 и более знаков после запятой, легко получаются.
Волновые функции обеспечивают прочную основу для построения релятивистских и квантово-электродинамических поправок, выраженных в виде степенного ряда по константе тонкой структуры $\alpha$, наряду с эффектами размера ядра. В серии монументальных расчётов Кшиштоф Пачуцкий из Варшавского университета в Польше и его коллеги оценили все эти члены до порядка $\alpha^4$ вместе с оценками членов более высокого порядка. Их расчёт энергии ионизации метастабильного триплетного состояния в ³He расходится с экспериментальным значением Клаузен и Меркт на 482 ± 53 кГц (9σ).
Заключение
Путь к окончательному разрешению расхождения неясен. Расхождение присутствует только на триплетной стороне спектра и не на синглетной. Предполагая, что все члены были правильно определены в ходе длительных и сложных расчётов, и экспериментальные неопределённости были правильно оценены, возможным следствием является наличие дополнительного спин-зависимого взаимодействия, которое влияет только на триплетную часть спектра. Спин-зависимые взаимодействия — горячая тема в спектроскопических поисках новой физики на фронте низких энергий. Очевидно, что требуются дополнительные работы как с теоретической, так и с экспериментальной стороны.