Эффекты нарушения фундаментальных симметрий на пучках поляризованных многозарядных ионов в накопительных кольцах

• Автор: Бондаревская, Анастасия Анатольевна
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 115 с. : ил.

Введение

Глава 1. Поляризация многозарядных ионов в накопительных кольцах

1.1 Получение поляризованного пучка многозарядных ионов

1.2 Сохранение поляризации в накопительных кольцах

1.3 Методы измерения поляризации ионов в накопительных кольцах

Глава 2. Нарушение пространственной симметрии

2.1 Нарушение пространственной симметрии в атомной физике

2.2 Нарушение пространственной симметрии в многозарядных ионах

2.3 Эффекты несохранения четности с поляризованными ионами

2.4 Эксперименты с ионами Сй и Ей

2.5 Нарушение пространственной симметрии вследствие анапольного момента ядра

2.6 Эффекты несохранения четности во внешнем магнитном поле
Глава 3. Электрический дипольный момент электрона в водородоподобных ионах в накопительных кольцах
3.1 Развитие теории ЭДМ и современные подходы
3.2 ЭДМ в накопительных кольцах
3.3 ЭДМ электрона в многозарядных ионах в накопительных кольцах
3.4 Эксперимент по поиску ЭДМ электрона в многозарядных ионах
3.5 Устранение фоновых эффектов
3.6 ЭДМ электрона в многозарядных ионах в электростатических кольцах
Заключение
Список литературы

Введение
Поиски эффектов несохранения четности (ЭНЧ) в атомной физике начались после появления гипотезы нейтральных слабых токов. В работах [1] - [3] было предложено объединить слабое взаимодействие с электромагнитным в рамках общей теории электрослабого взаимодействия, что впоследствии привело к формулировке Стандартной Модели (СМ) . Впервые наблюдать ЭНЧ было предложено в экспериментах, связанных с оптическим дихроизмом в атомах Cs [4] и оптическим вращением в парах Bi [5]. Первый успешный эксперимент по наблюдению ЭНЧ был проведен в Новосибирске [6] с атомами висмута, а наиболее точные результаты были получены в Boulder (США) для атомов Cs [7]. В эксперименте [7] наблюдалась асимметрия числа излученных (поглощенных) фотонов с правой и левой круговой поляризацией. Для выделения из этих экспериментальных данных констант СМ, таких как угол Вайнберга, необходимо проводить точные теоретические вычисления. В таких расчетах должно быть учтено влияние всех атомных электронов (55 в случае атома Cs и 83 в случае Bi), так как полный эффект возникает благодаря взаимодействию неспаренного валентного электрона с ядром посредством слабых сил с малым радиусом действия. Таким образом имеет значение только плотность вероятности валентного электрона на поверхности ядра, которая зависит от экранирования валентного электрона всеми остальными электронами атома. Такие вычисления с точностью не менее 0.3 % (что соответствует точности в эксперименте в [7]) представляют собой очень сложную задачу. Для согласования атомных данных с данными СМ в высокоэнергетической области в атомные расчеты добавлялись различные поправки. Историю этих поправок, которая охватывает почти десятилетие, можно найти в [8], а наиболее точные вычисления на настоящий момент в [9], [10].
Трудности в теоретическом описании ЭНЧ в тяжелых нейтральных атомах подтолкнули исследователей к поиску более простых атомных систем, которые бы обладали эффектами того же порядка. Специфической особенностью атомных ЭНЧ является их рост с увеличением заряда ядра Z (см. главу 2). Поэтому очевидным выбором стали тяжелые ионы с небольшим числом электронов.
В работе [11] впервые было предложено измерять ЭНЧ в гелиеподобных
многозарядных ионах, где уровни с противоположной четностью пересекаются как функции
заряда Z. За последние два десятилетия на эту тему было опубликовано несколько статей [12]
- [19]. Существуют также предложения провести эксперименты как с одноэлектронными
[20], так и с трех, четырех и пятиэлектронными многозарядными ионами [21]. В диссертации

развиваются идеи, предложенные в статье [17] и основанные на использовании поляризованных ионов. Для описания поляризационного состояния ионов использована матрица плотности. В выражении для вероятности получено дополнительное слагаемое, сохраняющее четность и отсутствовавшее в работе [17]. Показано, что это слагаемое может быть использовано для измерения поляризации системы. Детально изучены параметры возможного эксперимента, оценено время наблюдения эффекта. Следует подчеркнуть, что эксперимент, обсуждаемый в [17], представляется одним из наиболее осуществимых в ближайшем будущем. Также наблюдение и точное измерение ЭНЧ в МЗИ могут предоставить новую информацию по СМ, которая не может быть извлечена из экспериментов с нейтральными атомами, так как в случае МЗИ значимый вклад могут вносить радиационные поправки, дающие пренебрежимо малый вклад для нейтральных атомов.
Другой важный эксперимент, в котором можно использовать пучок поляризованных МЗИ в накопительном кольце, связан с анапольным моментом ядра. Понятие анапольного момента было введено в работе [22]. Позднее было показано, что этот момент играет основную роль в слабом, зависящем от спина ядра, взаимодействии в атомах [23]. Тем не менее до настоящего момента анапольный момент ядра наблюдался лишь как небольшая поправка к ЭНЧ, независящему от спина ядра, в нейтральных атомах Сб. Используя МЗИ, анапольный момент ядра можно измерять напрямую [18]. В представленной работе также детально изучены эффекты, связанные с вкладом в гамильтониан слабого взаимодействия, зависящим от спина ядра.
Важной частью настоящей работы является теоретическое исследование возможности проведения эксперимента по поиску электрического дипольного момента (ЭДМ) электрона на пучках поляризованных водородоподобных многозарядных ионов в накопительном кольце. Этот метод может позволить улучшить оценку значения ЭДМ электрона.
Поиск ЭДМ элементарных частиц (электронов, мюонов, нейтронов и протонов) а также ЭДМ замкнутых многочастичных систем (атомов, молекул и ядер) представляет одну из наиболее острых проблем фундаментальных физики. Начало систематическому поиску ЭДМ было положено в работе [24]. Можно показать, что наличие ЭДМ нарушает пространственную четность (Р) и инвариантность относительно обращения времени (Т), поэтому поиск ЭДМ приобрел исключительно большое значение после открытия нарушения этих симметрий. Нарушение пространственной четности (Р) было продемонстрировано в работе [25], а нарушение инвариантности относительно обращения времени связано с нарушением комбинированной четности СР [26]. Дело в том, что благодаря существованию
Сравним это заключение с результатами, полученными в работах [41 ]-[44], где для Р2 представлено ненулевое значение, но малое по сравнению с Р. Естественным объяснением могло бы послужить следующее: для перехода из непрерывного спектра в дискретный (т.е. для радиационного захвата электрона, рассматриваемого в [41 ]-[44]) представлены фотоны всех мультиполей. Тогда вклад в числитель параметра Р2 будут давать слагаемые ы> > 3, т.е. сЬ = V > 2 . Даже для больших значений Z (в работе [43] рассматривается элемент с атомным номером = 83 ) это ведет к значительному подавлению второго параметра Р2. В работах [41 ]-[44] первый параметр СтоксаРх рассматривается как независящий от поляризации ионов. Мы также не можем утверждать, что этот параметр определяет степень поляризации Ар = -р Х)мР мРМр . Из уравнения (67) следует, что этот параметр
определяет только так называемую "степень выстраивания", которую мы можем определить следующим образом:
Для неполяризованных ионов получаем, что ар = 0 . Для максимальной поляризации ВЫПОЛНЯеТСЯ уСЛОВИе ПрМр = и
Из существования поляризации всегда следует наличие выстраивания, но не наоборот. Исключением является только ситуация, когда момент системы 7 = § В этом случае даже
при наличии поляризации выстраивание отсутствует.
Таким образом из параметра СтоксаР! невозможно извлечь информацию о степени поляризации Ар. Тем не менее возможно проверить наличие максимальной поляризации. В выражении (73) представлено значение для первого параметра Р1 для максимальной
ар = 2 прмРМ - а% мР
(75)
где а°р можно записать в следующем виде
(76)
атах = £(2Р - 1)
(77)