Исследователи из Инновационной академии точных измерений науки и техники (APM) Китайской академии наук достигли прорыва в высокоразрешающей молекулярной спектроскопии. Охладив ионы молекулярного водорода (HD⁺) до температуры всего 18 милликельвинов (мК), они получили самые точные спектры колебательно-вращательного движения, когда-либо зарегистрированные для этой фундаментальной молекулы. Результаты, опубликованные в журнале Physical Review A, подтверждают теорию квантовой электродинамики (QED) с беспрецедентной точностью.
Важность HD⁺
HD⁺, состоящий из одного протона, одного дейтрона и одного электрона, служит важнейшим полигоном для фундаментальной физики. Его простая структура позволяет проводить высокоточные теоретические расчеты, что делает его идеальным для проверки QED и определения фундаментальных констант, таких как отношение массы протона к массе электрона. Любые расхождения между экспериментальными результатами и теорией могут указывать на новую физику за пределами Стандартной модели.
Охлаждение до Предела
Ключом к этой точности стало экстремальное охлаждение. Чтобы минимизировать ошибки измерений, вызванные движением атомов (доплеровское уширение), исследователи использовали лазерно охлажденные ионы бериллия для охлаждения ионов HD⁺ почти до абсолютного нуля. Этот процесс значительно снижает тепловой шум, что позволяет получать более точные спектральные показания.
Подготовка Основного Состояния
Серьезной проблемой была низкая популяция молекул HD⁺ в их основном энергетическом состоянии (v = 0, N = 0). Чтобы преодолеть это, команда использовала технику, называемую резонансно-усиленной пороговой фотоионизацией (RETPI). RETPI точно подготавливает ионы HD⁺ в основном состоянии с начальной степенью популяции 93%, что резко увеличивает силу сигнала для последующих измерений. По сравнению с традиционными методами этот подход обеспечивает существенное улучшение эффективности подготовки основного состояния.
Обнаружение «Темных Ионов»
Ионы HD⁺, захваченные вместе с флуоресцентными ионами бериллия, выглядят как не флуоресцирующие «темные ионы». Мониторинг изменения их числа во время резонансного диссоциации имеет решающее значение для спектральных измерений. Чтобы решить эту задачу, исследователи разработали технику пространственно-разрешенного сбора флуоресценции с использованием высокочувствительной, электронно-умножающей интенсифицированной ПЗС-камеры (EMICCD). Эта установка позволяет в режиме реального времени визуализировать ионный кристалл и проводить неразрушающее измерение числа ионов HD⁺.
Беспрецедентная Точность
Используя эти инновационные методы, команда измерила спектр колебательно-вращательного перехода ионов HD⁺ (v,N):(0,0)→(6,1) с частотным значением 303 396 506,7(20) МГц. Относительная точность этого измерения достигает частей на миллиард (ppb), что соответствует самым точным теоретическим прогнозам QED. Это подтверждение еще больше укрепляет Стандартную модель физики частиц.
«Эти измерения представляют собой значительный шаг вперед в высокоточной спектроскопии и обеспечивают строгую проверку фундаментальных физических теорий», — заявил доктор [Имя исследователя].
Способность измерять молекулярные спектры с такой точностью открывает новые возможности для изучения фундаментальной физики и углубления нашего понимания Вселенной.
