Учёные много десятилетий надеются обнаружить какое-нибудь явление, не укладывающееся в рамки известной физики элементарных частиц. Теперь исследователи теоретически рассчитали важный и ранее неизвестный эффект, который обязательно следует учитывать в подобных поисках. Речь идёт о поведении электронов в атомах различных изотопов одного элемента.
Научная статья с результатами этих теоретических изысканий опубликована в журнале Physical Review A.
Теперь расскажем обо всём по порядку.
Тропы к тайне
Стандартная модель физики элементарных частиц с блеском выдержала бесчисленное множество самых разных экспериментальных проверок. Тем сильнее азарт учёных, надеющихся обнаружить хоть что-нибудь, что потребует новых теорий.
Самый простой способ искать неизвестные эффекты – это создавать физические условия, которые у человечества ранее просто не было возможности наблюдать: экстремальные температуры, давления, энергии частиц и так далее. Но этот путь требует создания очень дорогих и очень сложных установок, таких как Большой адронный коллайдер.
Как ещё можно открыть явления, не укладывающиеся в Стандартную модель? Некоторые физики надеются сделать это, внимательно наблюдая за "недорогими" и, казалось бы, давно изученными процессами, такими как радиоактивный распад и прочая активность атомных ядер. Ведь доступная точность измерений год от года растёт, и сегодня экспериментаторы могут заметить тонкий эффект, ускользавший от исследователей ещё несколько десятилетий назад.
Одной из таких партизанских тропок к новой физике, по мнению ряда экспертов, может оказаться нелинейность диаграммы Кинга. Спокойно, сейчас мы всё объясним.
Просто о сложном
Когда электрон в атоме переходит с высокого энергетического уровня на более низкий, он излучает фотон строго определённой частоты. Физики говорят, что на этой частоте находится спектральная линия, отвечающая данному переходу. В атоме много энергетических уровней, поэтому много возможных переходов и спектральных линий.
Теперь вспомним, что изотопы – это разновидности одного химического элемента, отличающиеся числом нейтронов в ядре. Например, у аргона, о котором далее пойдёт речь, три стабильных изотопа: аргон-36, аргон-38 и аргон-40. Здесь число означает суммарное количество протонов и нейтронов в ядре. Протонов у аргона всегда 18, так что легко сосчитать, что у первого изотопа 18 нейтронов в ядре, у второго 20 и у третьего 22.
Одна и та же спектральная линия у разных изотопов имеет разную частоту. Этот эффект называется изотопическим сдвигом. Разница в частоте линии у двух изотопов может составлять ничтожные доли процента от самой частоты, но для современной техники это вполне измеримая величина.
У каждой пары изотопов данного элемента и каждой его спектральной линии свой изотопический сдвиг. Выбрав элемент и спектральную линию, можно составить таблицу, где в одной колонке будет пара изотопов, а в другой – изотопический сдвиг этой линии для неё.
Теперь – барабанная дробь – переходим к диаграмме Кинга. Выберем химический элемент, например, аргон. Выберем также две его спектральные линии (обозначим их А и В).
Отложим по горизонтальной оси величину Δf/ΔN, где Δf – изотопический сдвиг для спектральной линии А в какой-нибудь паре изотопов и ΔN – разница в числе нейтронов у этой пары. Разных значений будет столько, сколько у элемента пар различных изотопов. В случае аргона их три: (аргон-36, аргон-38), (аргон-36, аргон-40) и (аргон-38, аргон-40). По вертикальной оси отложим то же самое для спектральной линии В.
Полученный график и есть диаграмма Кинга.
В поисках изгиба
Теория говорит, а эксперименты подтверждают, что для любого элемента и любых его спектральных линий линия на диаграмме Кинга практически не отличается от прямой. Отклонения настолько малы, что лишь в последние годы экспериментальная техника достигла достаточной точности, чтобы их обнаружить.
И вот тут-то физикам следует проявить осторожность. Велик соблазн интерпретировать нелинейность диаграммы Кинга как рождение в атомном ядре частицы, не предсказанной Стандартной моделью.
"Если график Кинга оказывается слегка изогнутым, это может быть проявлением новых частиц, выходящих за рамки Стандартной модели физики [элементарных частиц]", – говорит первый автор статьи Владимир Ерохин из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
Но у этого явления могут быть и другие причины, вполне укладывающиеся в существующую парадигму. Просто они систематически не исследовались теоретиками, поскольку ещё вчера были за гранью возможного для экспериментаторов.
Такие подводные камни лучше найти до того, как о них разобьётся лодка чьих-то блистающих ожиданий. Именно этим и занялись авторы новой статьи.
Физики рассчитывали диаграмму Кинга для ионов аргона. Учёные рассматривали ионы с четырьмя, пятью и шестью электронами. Подобные "атомы" исключительно удобны как для теоретического изучения, так и для экспериментов.
К удивлению исследователей, оказалось, что отклонения от прямой варьируются от 5 до 30 килогерц. Это в десятки тысяч раз больше предыдущих теоретических оценок в сопоставимых системах.
Теперь исследователи рассчитывают проверить свои выводы экспериментально на новейших установках в Германии. Кроме того, они планируют рассмотреть другие химические элементы.
"Необходимо продолжить изучение этих эффектов на других атомах с большим числом электронов, чтобы уменьшить влияние погрешностей расчёта", – констатирует Ерохин.
Эти результаты могут стать надёжной основой для поиска новых частиц.
"Если эксперимент будет успешным, мы сможем получить ограничения на параметры предполагаемой новой частицы за пределами Стандартной модели. Кроме того, такие эксперименты помогут определить, меняются ли со временем фундаментальные константы, что очень важно для нашего понимания развития Вселенной", – заключает физик.
К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как новую физику можно искать с помощью ускорителей, детекторов гравитационных волн и регистраторов космических частиц.
