В НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ предложили молекулярный ион AcOH+ для поиска эффектов нарушения симметрий фундаментальных взаимодействий

Среда, 08 июня 2022

Спектроскопические эксперименты с использованием атомных и молекулярных систем в последние десятилетия стали одним из основных источников информации о фундаментальных силах, нарушающих как симметрию пространственной инверсии (P), так и инвариантность относительно обращения времени (T) [1]. В частности, эксперимент с молекулой монооксида тория ThO, выполненный международной коллаборацией ACME [2], позволил установить наиболее жесткое на данный момент ограничение на электрический дипольный момент (ЭДМ) электрона. Сейчас несколькими группами экспериментаторов ведётся подготовка экспериментов нового поколения по поиску ЭДМ электрона, а также ядерных моментов, обусловленных существованием в ядрах атомов взаимодействий между нуклонами, которые нарушают симметрии T и P – шиффовского и магнитного квадрупольного моментов [1, 3].

Для успешного проведения подобного эксперимента изучаемый объект должен обладать парой состояний противоположной чётности, близко расположенных друг к другу по энергии. В молекулах энергетический зазор между такими состояниями может быть на несколько порядков меньше, чем в атомах, что ведёт к соответствующему усилению эффекта. Величина эффектов, нарушающих симметрии T и P, также быстро растёт при переходе к наиболее тяжелым элементам с большими зарядами ядер. Выбор системы для проведения эксперимента не в последнюю очередь определяется удобством работы с ней (в том числе доступностью и временем жизни изотопов в случае радиоактивных молекул), а также временами жизни состояний системы, на которых проводятся измерения. Для поиска ЭДМ электрона и магнитных квадрупольных моментов ядер оптимальны парамагнитные системы, имеющие неспаренные электроны.

Принципиально новая система подобного рода – молекулярный катион моногидроксида актиния AcOH+ – была предложена сотрудниками Лаборатории квантовой химии (ЛКХ) Отделения перспективных разработок НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ Александром Олейниченко, Леонидом Скрипниковым и Андреем Зайцевским в соавторстве с Виктором Фламбаумом (Университет Нового Южного Уэльса, Сидней, Австралия) [4]. Перспективность работы с ионом AcOH+ определяется следующими его особенностями.

Во-первых, это первый линейный многоатомный ион, содержащий тяжёлый атом, для которого теоретически предсказана возможность лазерного охлаждения. Такое охлаждение практически полностью «выключает» допплеровское уширение спектральных линий, а значит, охлаждение является фактически ключом к спектроскопическим экспериментам с крайне высокой разрешающей способностью. Будучи положительно заряженным ионом, AcOH+ имеет определённые преимущества с точки зрения манипуляции им: заряженный ион можно затормозить электрическим полем, а затем «запереть» в квадрупольной ловушке и доохладить его до сверхнизких температур. Электронный переход, предложенный в качестве рабочего для процесса лазерного охлаждения AcOH+ эффективно локализован на атоме актиния и практически не затрагивает химические связи в молекуле при электронном возбуждении. Для иона AcOH+ предельно достижимая температура охлаждения была оценена в 4 нанокельвина, что существенно ниже температур, которые могут быть достигнуты для нейтральных молекул, рассмотренных на настоящий день.

Во-вторых, характерной особенностью линейных трёхатомных молекул является наличие пары уровней противоположной чётности, возникающих вследствие взаимодействия вращательной и колебательной степеней свободы. Величина расщепления между этими уровнями особенно мала для тяжелых молекул. Выполненная оценка показывает, что для AcOH+ это расщепление должно составлять порядка 15 МГц, что делает возможной значительную поляризацию таких ионов уже при весьма скромных значениях напряженности внешнего электрического поля (порядка 100 В/см).

Наконец, для элемента актиния известны 29 изотопов, 13 из которых имеют времена жизни порядка минуты и больше (для изотопа 227Ac время жизни составляет около 22 лет). Подобное разнообразие изотопов, сильно отличающихся друг от друга свойствами, даёт возможность планировать самые разные эксперименты по поиску нарушающих чётность взаимодействий. Так, ядра изотопа 224Ac характеризуются нулевым спином, что является преимуществом для экспериментов по поиску ЭДМ электрона. Напротив, для ядер 225Ac и 227Ac были указаны октупольные деформации. Согласно выполненным теоретическим оценкам, наличие такой деформации может приводить к высоким значениям шиффовских и магнитных квадрупольных моментов. Важным для будущих экспериментов с соединениями актиния обстоятельством представляется также то, что изотопы актиния в настоящее время вполне доступны, а изотоп 225Ac даже применяется в радиомедицине.

Описанные особенности молекулярного иона AcOH+, а также вычисленные значения эффективного электрического поля на ядре Ac, параметра электрон-ядерного псевдоскалярно- скалярного T,P-нечетного взаимодействия и параметра взаимодействия, индуцированного магнитным квадрупольным моментом ядра, позволяют говорить о весьма высокой перспективности этой системы как объекта нового поколения экспериментов по поиску эффектов нарушения симметрий фундаментальных взаимодействий.

Релятивистские расчёты, представленные в работе, были выполнены с использованием программных средств, разработанных сотрудниками ЛКХ. В частности, для моделирования электронных состояний использовался релятивистский метод связанных кластеров, реализованный в программе EXP-T [5] (А.В. Олейниченко, А.В. Зайцевский, Э. Элиав). При вычислении T,P-нечётных свойств использовалась программа OneProp [6] (Л.В. Скрипников). В расчётах также использовались комбинированные схемы, включающие метод обобщённого релятивистского потенциала остова, разработанный сотрудниками ЛКХ [7] (Н.С. Мосягин, А.В. Титов).

[1] R. Alarcon et al, arXiv:2203.08103 [hep-ph] (2022).

[2] V. Andreev, D. Ang, D. DeMille, J. Doyle, G. Gabrielse, J. Haefner, N. Hutzler, Z. Lasner, C. Meisenhelder, B. O’Leary, et al. Nature 562, 355 (2018).

[3] J. S. M. Ginges, V. V. Flambaum. Phys. Rep. 397, 63 (2004).

[4] A. V. Oleynichenko, L. V. Skripnikov, A. V. Zaitsevskii, V. V. Flambaum Phys. Rev. A, 105, 022825 (2022).105A. V. Oleynichenko, L. V. Skripnikov, A. V. Zaitsevskii, V. V. Flambaum Phys. Rev. A, 105, 022825 (2022).

[5] http://qchem.pnpi.nrcki.ru/expt

[6] L.V. Skripnikov, J. Chem. Phys. 145, 214301 (2016)145L.V. Skripnikov, J. Chem. Phys. 145, 214301 (2016)

[7] http://qchem.pnpi.nrcki.ru/recp

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт