Müonik atomları ve kuantum elektrodinamiği (QED) etkilerini gösteren kavramsal diyagram. Kredi: RIKEN
Kavli Evrenin Fizik ve Matematiği Enstitüsü’nden (Kavli IPMU) üyelerin de dahil olduğu uluslararası bir araştırma ekibi, güçlü bir şekilde doğrulamak için bir ilke kanıtlama deneyinde başarılı oldu Physical Review Letters’da yayınlanan yakın tarihli bir araştırmaya göre, egzotik atomlar içindeki -alan kuantum elektrodinamiği. Bu başarı, gelişmiş bir X-ışını detektörü kullanılarak müonik atomlardan yayılan karakteristik X-ışınlarının enerji spektrumunun yüksek hassasiyetle ölçülmesiyle başarıldı.
Bu başarılı deney, doğrulamada çok önemli bir ilerlemeye işaret ediyor. henüz insanlar tarafından yapay olarak üretilmemiş bir alan olan güçlü elektrik alanları bağlamında temel fiziksel yasaların. Bu çalışmada en son kuantum teknolojisi kullanılarak gösterilen, X-ışını enerjisini belirlemeye yönelik son derece hassas ve etkili yöntemin, muonik atomları kullanan tahribatsız elemental analiz yöntemleri gibi çeşitli araştırma alanlarında uygulanması beklenmektedir.
{ 6}Fizik yasalarını keşfetmek her zaman bilim adamlarının hayali olmuştur. Bunlar, mevcut teoriler tarafından anlaşılamayan gözlemlenmiş olayları açıklamak için bulunmuş veya önerilmiştir.
Birçok durumda, yeni fiziğin keşfi, yeni deneysel tekniklerin geliştirilmesini ve ölçümlerin doğruluğunun artırılmasını gerektirir. Fiziksel yasaların en kesin şekilde test edilmiş teorisi, yüklü parçacıklar ve ışık arasındaki mikroskobik etkileşimleri tanımlayan Kuantum ElektroDynamics’tir (QED). Bilim adamları sürekli olarak QED’nin fiziksel gerçekliğimizi ne kadar doğru tanımladığı konusunda sınırları zorluyor.
Bu makalede, Dr. Takuma Okumura’nın (araştırma sırasında RIKEN’de Doktora Sonrası Araştırmacı, şu anda ABD’de Yardımcı Doçent) dahil olduğu işbirliği Tokyo Metropolitan Üniversitesi), Profesör Toshiyuki Azuma (Baş Bilim İnsanı, RIKEN), Japonya Atom Enerjisi Kurumu’ndan (JAEA) Dr. Tadashi Hashimoto (Baş Araştırmacı Yardımcısı), Tokyo Metropolitan Üniversitesi’nden Misafir Araştırmacı Hideyuki Tatsuno, Rikkyo Üniversitesi’nden Doçent Shinya Yamada, Kastler-Brossel Laboratuvarı’ndan Profesör Paul Indelicato, Tokyo Üniversitesi Kavli IPMU’dan Profesör Tadayuki Takahashi, Malzeme Yapısı Bilimi Enstitüsü’nden Profesör Koichiro Shimomura, KEK, Chubu Üniversitesi’nden Profesör Shinji Okada, düşük hızlı bir negatif muon ışını enjekte ettiler. J-PARC tesisinden neon gazına dönüştürüldü ve ortaya çıkan muonik neon (Ne) atomlarından yayılan karakteristik X-ışınlarının enerjisi, bir süper iletken Geçiş Kenarı Sensörü (TES) detektörü kullanılarak tam olarak ölçüldü.
Alarak TES detektörünün mükemmel enerji çözünürlüğünden tam olarak yararlanarak, müonik karakteristik X-ışınlarının enerjisi 1/10.000’den daha düşük bir mutlak belirsizlikle belirlendi ve güçlü alan kuantum elektrodinamiğindeki vakum polarizasyonunun katkıları başarıyla doğrulandı. %5,8’lik yüksek hassasiyet.
TES dedektörü orijinal olarak uzay X-ışını gözlemi için geliştirilmiştir. Takahashi’nin Kavli IPMU’daki mevcut projesi, bu detektörü kullanarak benzeri görülmemiş disiplinler arası araştırma yapmaktı. Ekibinde Kavli IPMU Projesi Yardımcı Doçent Shin’ichiro Takeda, Proje Araştırmacısı Miho Katsuragawa ve muon deneylerinde yer alan at the tune yüksek lisans öğrencisi Kairi Mine yer alıyor.
İşbirliğinin deneysel tekniği göstermesi müonik atomların kullanılmasının, güçlü elektrik alanları altında QED doğrulaması çalışmasında ileriye doğru büyük bir sıçramaya yol açması bekleniyor.
Çalışmanın ayrıntıları, bilimsel dergide yayınlanmadan önce çevrimiçi olarak (27 Nisan 2023, Japonya saati) yayınlandı. Fiziksel İnceleme Mektupları (27 Nisan 2023 Japonya saati).
Arka plan
QED’in etkileri, güçlü elektrik alanlarının olduğu ortamlarda daha belirgindir, ancak bu durumda teorik hesaplamalar daha zor hale gelir. Bu nedenle, QED doğrulaması için güçlü bir elektrik alanı ortamı çok önemlidir.
Uzun yıllar boyunca, çok sayıda elektrondan arındırılmış atomlar olan yüksek yüklü iyonların (HCI’lar) kullanıldığı deneyler, bir yaklaşım olarak gerçekleştirilmiştir. güçlü elektrik alan ortamı. HCI’larda bağlı elektronlar tarafından hissedilen elektrik alan, atom numarası büyüdükçe güçlenir ve birçok elektronun sıyrılmasıyla perdeleme etkisi bastırılır.
Büyük hızlandırıcılar kullanan HCI araştırmaları hâlâ yoğun bir şekilde sürdürülmektedir. Bununla birlikte, büyük atom numaralarına sahip HCI’lar için bile, çekirdeğin sonlu boyutunun etkisi göz ardı edilemez.Çeşitli egzotik atomlar arasında müonik atomlar, negatif müonlardan (elektronlardan yaklaşık 200 kat daha ağır temel parçacıklar) ve çekirdeklerden oluşur. Negatif müonlar günümüzde büyük hızlandırıcılardan ışınlar olarak çıkarılabilir.
Müonik atomlar, negatif müonun çekirdeğe son derece yakın olmasıyla karakterize edilir; bağlı bir müonun yörünge yarıçapı, müonun yaklaşık 1/200’ü kadardır. bağlı bir elektron Sonuç olarak, müon tarafından hissedilen elektrik alan, bir HCI’da aynı kuantum seviyesindeki bağlı bir elektron tarafından hissedilen elektrik alandan yaklaşık 40.000 kat daha güçlüdür ve bu da çok büyük bir QED etkisine neden olur.
Ayrıca, çekirdekle küçük örtüşmelerle yüksek açısal momentum kuantum seviyelerini işgal eden negatif müonlar kullanılarak, çekirdeğin sonlu boyutunun etkisinin büyük ölçüde bastırıldığı deneyler yapmak mümkündür. QED, müonik atomların belirli bir seviyeden daha düşük seviyelere uyarımı giderildiğinde yayılan müonik karakteristik X-ışınlarının enerjisini hassas bir şekilde ölçerek, güçlü bir elektrik alanı altında doğrulanabilir (Şekil 1).
{5 }Müonik atomları ve kuantum elektrodinamiği (QED) etkilerini gösteren kavramsal diyagram. Bir müonik atomda, negatif müon (-) çekirdeğe bağlıdır ve onun etrafında döner. Kuantum elektrodinamiğine göre, bağlı negatif müon, sanal fotonları (öz enerji: SE) tekrar tekrar yayarak ve emerek yörünge hareketini sürdürür. Ayrıca neon çekirdeği (Ne10+) ile negatif müon arasında elektrostatik bir çekim vardır ve bu etkileşim yoluyla yayılan fotonlar sürekli olarak sanal elektron-pozitron (e±) çiftlerinin (vakum polarizasyonu: VP ) oluşumunu ve yok oluşunu tekrarlar. Bu çalışmada, negatif müon daha düşük bir duruma geçtiğinde yayılan müonik karakteristik X-ışınlarının enerjisini hassas bir şekilde ölçtük. Kredi: Okumura ve diğerleri.
Dolayısıyla, müonik atomlar, güçlü alan QED doğrulaması için ümit verici bir deneysel hedeftir. Ancak, üstesinden gelinmesi gereken birkaç sorun var. En büyüğü, birkaç müonik atomun izole bir ortamda hazırlanması gerektiğidir. Müonik atomların yakınında atomların veya moleküllerin varlığı, hızlı elektron transferine neden olabilir ve müonik karakteristik X-ışınlarının enerjisini değiştirebilir. Çözüm, az sayıda yoğunluğa (düşük basınç) sahip seyreltik gaz hedefleri kullanmaktır, ancak üretilen müonik atomların sayısı ve sonuçta ortaya çıkan müonik karakteristik X-ışınlarının yoğunluğu azaltılır.
Uluslararası araştırma grubu deneyler yürüttü. Tokai-mura, Ibaraki’deki Japonya Proton Hızlandırıcı Araştırma Kompleksi’nde (J-PARC), dünyanın en yoğun düşük hızlı müon ışınının mevcut olduğu yerde. Düşük yoğunluklu müonik karakteristik X-ışınları ile bile yeterli doğrulukta enerjiyi belirlemek için deney, oldukça verimli ve yüksek çözünürlüklü bir X-ışını detektörü olan süper iletken bir geçiş kenarı sensörü (TES) mikrokalorimetresi ile gerçekleştirilmiştir.{ 1}
Nadir gaz neon (10Ne) atomlarını hedef olarak kullanarak, 0,1 atm’lik seyreltik koşullar altında geleneksel yarı iletken dedektörlerinkinden (FWHM: 5,2 eV) bir kat daha yüksek bir enerji çözünürlüğü elde ettiler ve başarılı bir şekilde muonik karakteristik X-ışınlarını ölçtü (Şekil 2). Gösterilen zirveler temel olarak altı farklı geçişten gelen müonik karakteristik X-ışınlarının üst üste binmesinden kaynaklanmaktadır ve müonik karakteristik X-ışınlarının enerjisi, her birinin katkıları analiz edilerek %0,002 gibi yüksek bir doğrulukla belirlenmiştir.
Müonik karakteristik X-ışını enerjisinin neon gaz basıncına bağımlılığı ve en son teorik hesaplamayla karşılaştırması. Müonik karakteristik X-ışınlarının enerjisi, neon gaz hedefinin basıncına karşı çizilir. Müon-neon atomlarının izole bir ortamda olduğunu gösteren deneysel hata dahilinde basınca bağlı enerji değişimi gözlenmedi. Kesin müonik karakteristik X-ışını enerji ölçümleri, en son teorik hesaplamalardan elde edilen sonuçlarla mükemmel bir uyum içindedir. Kredi: Okumura ve arkadaşları.
Neon gaz hedefinin basıncını değiştirirken ölçümleri tekrarladılar (Şekil 3) ve muonik X-ışınlarının enerjisinin, aşağıdakilere bakılmaksızın deneysel hata dahilinde sabit olduğunu doğruladılar: neon gaz hedefinin basıncı.Müonik karakteristik X-ışınlarının enerjisi, neon gaz hedefinin basıncına karşı çizilir. Müon-neon atomlarının izole bir ortamda olduğunu gösteren deneysel hata dahilinde basınca bağlı enerji değişimi gözlenmedi. Kesin müonik karakteristik X-ışını enerji ölçümleri, en son teorik hesaplamalardan elde edilen sonuçlarla mükemmel bir uyum içindedir. Kredi: Okumura ve diğerleri.