В поисках новой физики за пределами стандартной модели физики элементарных частиц внимание привлекает значительное расхождение между теорией и экспериментом, особенно в такой простой атомной системе, как гелий. Недавно появились данные о расхождении в 9σ для 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 просчитано неверно.
Теперь Глория Клаузен и Фредерик Меркт из Швейцарской федеральной политехнической школы Цюриха 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
Чтобы определить энергии ионизации с достаточной точностью для сопоставления 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^3$S$1$ (триплет) и 1$s$2$s^1$S$0$ (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 указывают на то, что разница в зарядовых радиусах между гелионом и альфа-частицей (ядра ³He и ⁴He соответственно) согласуется со всеми предыдущими экспериментами, в которых измерялись свойства атомной структуры — кроме, что важно, энергии ионизации.
Для согласования с экспериментальными значениями необходимы соответствующие точные теоретические значения как для метастабильных триплетных состояний $n$=2, так и для высоколежащих состояний Ридберга. Используются высокоточные вариационные методы для построения явно коррелированных двухэлектронных волновых функций для решения квантово-механической задачи трёх тел с точечным ядром.
Расчёты энергии ионизации
В серии монументальных расчётов Кшиштоф Пачуцкий из Варшавского университета в Польше и его коллеги оценили все эти члены до порядка $𝛼^4$ вместе с оценками членов более высокого порядка. Их расчёт энергии ионизации метастабильной триплетной ионизации в ³He расходится с экспериментальным значением Клаузен и Меркт на 482 ± 53 кГц (9σ).
Расчёты включали такие эффекты, как собственная энергия электрона и поляризация вакуума, которые хорошо известны из спектра водорода.
Согласование теории и эксперимента
Согласование теории и эксперимента для энергий ионизации состояний Ридберга в верхней части измеренного перехода возбуждения является сложной задачей. Высокоточные расчёты, которые хорошо работают для низколежащих состояний, обычно теряют точность с увеличением $n$ и нецелесообразны для $n$ как высокого как 24.
Наши находки поэтому обнажают расхождение в 9σ для триплетного состояния $n$=2 и, мы полагаем, повышают уверенность в экспериментально полученных значениях.
Путь к окончательному разрешению расхождения неясен. Расхождение присутствует только на триплетной стороне спектра и не на синглетной. Предполагая, что все члены были правильно определены путём длительных и сложных вычислений, и экспериментальные неопределённости были правильно оценены, возможным следствием является наличие дополнительного спин-зависимого взаимодействия, которое влияет только на триплетную часть спектра.
Дополнительные исследования явно необходимы как с теоретической, так и с экспериментальной стороны.