Визначена частота оптичного переходу в атомі водню з точністю на рівні одиниць п’ятнадцятого знака

Співробітники Фізичного інституту ім. П. Н. Лебедєва РАН та Інституту квантової оптики ім. Макса Планка (Німеччина) визначили частоту оптичного переходу в атомі водню з точністю на рівні одиниць п’ятнадцятого знака. Оскільки в сучасній фізиці найбільшу точність вимірювання дають відносин частот, що цікавлять експериментаторів величини часто перетворюють саме в частоту. Так діють, наприклад, при вимірюванні швидкості автомобіля, що рухається з допомогою ефекту Доплера або обчисленні різниці потенціалів з використанням ефекту Джозефсона (явища протікання надпровідного струму через тонкий шар діелектрика, що розділяє два надпровідника).

Можливість вимірювати і порівнювати частоти оптичних переходів в атомах і іонах, що представляють собою осцилятори з виключно високою добротністю, з’явилася досить давно, але справжнім проривом у цій області стало створення так званих оптичних гребінок. Гребінка виникає при проходженні фемтосекундний імпульсів від лазера, випромінювання якого використовується як набір стандартних і точно визначених частот, через оптичне волокно зі спеціальною мікроструктурою. Автори цієї методики в 2005 році отримали Нобелівську премію, причому одним з лауреатів став представник російсько-німецької наукової групи Теодор Хенш (Theodor Hänsch).

«Наша задача полягала в тому, щоб виміряти частоту в атомі водню — перехід між двома енергетичними рівнями, основним і метастабільним станами, — розповідає інший учасник робіт Микола Колачевський. — У збудженому стані атом стабільний у масштабі часток секунди, тому виходить дуже вузький перехід, і його легко реєструвати. З іншого боку, атом водню — це дуже незручний об’єкт: його неможливо (навіть сьогодні) охолодити лазерними методами і захопити в пастки, що визначається унікальною структурою рівнів. Десять років тому, коли робота з Теодором Хеншем тільки починалася, мова йшла про вимірювання на рівні тринадцятого або чотирнадцятого знаків». Щоб підвищити точність, фізикам довелося серйозно доопрацьовувати методику: звужувати лінію випромінювання лазера, збудливого перехід, покращувати характеристики детекторів, змінювати способи обробки даних.

«Звичайно, наш новий результат поступається проведеним в США вимірам у йони алюмінію, точність яких досягла одиниць вісімнадцятого знака, — продовжує пан Колачевський. — Але можливість виконувати суворі квантово-механічні розрахунки в атомі водню робить його унікальним об’єктом для тестування фундаментальних теорій і визначення постійних, наприклад, постійної Рідберга».

Визначення частоти оптичного переходу в атомі водню також дозволяє оцінити стабільність постійної тонкої структури α ≈ 1/137 — безрозмірної величини, що характеризує електромагнітні взаємодії. У багатьох теоріях, що розширюють Стандартну модель, закладена необхідність зміни α, і фізики давно намагаються виявити варіації постійної тонкої структури у часі і просторі. Про астрофізичних дослідженнях такого роду, які спираються на спектри джерел, віддалених на мільярди світлових років, приводячи оцінки амплітуди можливих змін α.

Інший перспективний спосіб реєстрації дрейфу постійної, званий геологічними, заснований на вивченні ізотопного складу руд родовища Окло, де близько двох мільярдів років тому протікала мимовільна ланцюгова реакція поділу ядер урану. При цьому виникали інтенсивні потоки нейтронів, що було виявлено по зміні складу ізотопів. Перерізи реакцій (ймовірності захоплення нейтрона ядром), що проходили в той час, багато в чому визначаються величиною α, що дозволяє обмежити амплітуду її варіації.

Методики всіляких лабораторних дослідів, націлених на пошук дрейфу постійної тонкої структури, Микола Колачевський описав в статті, опублікованій в журналі «Успіхи фізичних наук» в 2004-м «В наших експериментах з атомом водню ми не побачили змін частоти в часі на рівні похибки вимірювань, — резюмує вчений. — При цьому досягнута чутливість до дрейфу перебувала на рівні шістнадцятого знака в рік. Щоб спостерігати об’єкт, астрофізикам потрібні гігантські комплекси на кшталт «Дуже великого телескопа», а ми добилися порівнянної чутливості на лабораторному столі, методами атомної прецизійної спектроскопії».

Підготовлено за матеріалами ФІАН-інформ.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *