КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-12-00157

НазваниеРасчеты многоэлектронных атомных систем для фундаментальных и прикладных исследований

РуководительКозлов Михаил Геннадьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт", Ленинградская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2019 г. - 2021 г. 

Конкурс№35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-304 - Спектроскопия

Ключевые словамногоэлектронные атомы, фундаментальные константы, нарушение симметрии, проверка Стандартной модели, многозарядные ионы

Код ГРНТИ29.29.00, 29.29.39, 29.05.23


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проверка Стандартной модели элементарных частиц и поиски «новой физики» за ее пределами с помощью методов атомной физики дополняют дорогостоящие исследования в области высоких энергий на ускорителях. Ярким примером является недавно полученное ограничение на электрический дипольный момент электрона в эксперименте на молекуле ThO, которое привело к закрытию широкого класса моделей суперсимметрии. В атомной физике разработаны беспрецедентные по точности методы измерений. Они основаны на использовании ультрахолодных атомных частиц — атомов, ионов и молекул. Такие атомные частицы являются чрезвычайно чувствительными инструментами для исследования фундаментальных проблем физики. С другой стороны, оптические стандарты частоты на основе атомов и ионов нашли широкое применение в современных инновационных технологиях, включая информационные и навигационные технологии (системы ГЛОНАСС и GPS) и релятивистскую геодезию. Появление методов охлаждения многозарядных ионов позволяет планировать создание оптических стандартов частоты и на их основе. Преимущество многозарядных ионов заключается в гораздо большей чувствительности к новой физике по сравнению с нейтральными атомами и меньшей чувствительностью к обычным внешним возмущениям. Планирование экспериментов и разработка новых стандартов частоты невозможны без точных атомных расчетов. В частности, теоретические расчеты требуются для определения радиационных сдвигов и магических частот, определения частот и вероятностей оптических переходов. Это лишь небольшая часть задач, стоящих перед теорией. Частоты переходов атомных частиц зависят от величины постоянной тонкой структуры и от отношения масс электрона и протона. Поэтому спектроскопические эксперименты и астрофизические наблюдения чувствительны к возможным вариациям фундаментальных постоянных. Эти вариации предсказываются многими расширениями Стандартной модели и могли бы объяснить такие ее проблемы, как тонкая подстройка фундаментальных постоянных в наблюдаемой части Вселенной. Для использования атомных частиц в фундаментальных и прикладных исследованиях необходимо точное знание их свойств. Во многих случаях эти свойства не могут быть определены из экспериментов, и необходимо проводить точные расчеты. Именно на выполнение таких расчетов и направлен данный проект. В рамках проекта мы проведем расчеты узких оптических линий, пригодных для создания оптических стандартов частоты и/или для прецизионных экспериментов по поиску нарушения Лоренц-инвариантности и вариации постоянной тонкой структуры. Будет продолжен поиск новых систем, пригодных для создания оптических стандартов частоты нового поколения, где систематические эффекты подавлены, а чувствительность к новой физике усилена. Сравнение лабораторных частот молекулярных переходов с частотами, полученными по наблюдениям холодного межзвездного газа, позволяет получить информацию о возможной вариации отношения масс электрона и протона. Мы планируем провести проверку возможного влияния скалярных космологических полей на фундаментальные постоянные в области гравитационных потенциалов много меньших, чем потенциал Галактики в области солнца. Для этого будут использованы данные радиоастрономии от локальных карликовых галактик - Магеллановых Облаков. Планируется провести поиски атомно-молекулярных объектов, имеющих высокую чувствительность к новым спин-спиновым взаимодействиям. Такие взаимодействия могут возникать за счет легких псевдоскалярных полей, которые сейчас рассматриваются как возможные кандидаты на «темную материю». Высокой чувствительностью к таким спин-спиновым взаимодействиям могут обладать ридберговские атомы и некоторые молекулы. Продолжится изучение свойств короткоживущих, тяжелых и сверхтяжелых ядер методами атомной физики. Для определения среднеквадратичных зарядовых радиусов и магнитных моментов ядер необходимо проводить расчеты атомов и ионов с учетом релятивистских эффектов, электронных корреляций и КЭД поправок. Для точного определения магнитных моментов необходимо учитывать сверхтонкую аномалию — зависимость сверхтонких констант от размеров ядра и от распределения намагниченности внутри него. Мы проведем изучение изотопических эффектов в рентгеновских спектрах актиноидов, включая ионы урана, что позволит уточнить значения среднеквадратичных радиусов ядер. Будут продолжены исследования сверхтонкой аномалии для Fr, Ra, Au и сверхтяжелого No (Z=102). Эти исследования позволят повысить точность определения магнитных моментов короткоживущих изотопов.

Ожидаемые результаты
Планируется получить следующие результаты. 1. Уточнить частоты и другие свойства часовых переходов в многозарядных ионах. Оценить достижимую точность часов на многозарядных ионов, определить наиболее перспективные ионы и чувствительность соответствующих ионных часов к вариации альфа. Эти исследования позволят экспериментаторам идентифицировать оптические переходы и выбрать наиболее перспективные ионы для создания новых часов и для экспериментов по поиску вариации постоянной тонкой структуры. 2. Вычислить сверхтонкую магнитную аномалию для Cd, Au, Hg, Fr, Ra, и No и уточнить магнитные моменты для их короткоживущих изотопов. Разработать метод расчета изотопических сдвигов в рентгеновских спектрах многозарядных ионов с учетом КЭД поправок и уточнить среднеквадратичные зарядовые радиусы актиноидов, в том числе, урана. В результате будут уточнены табличные значения параметров нескольких ядерных изотопов. 3. На основе анализа спектра межзвездного газа определить величину отношения масс электрона и протона мю для Магеллановых Облаков с относительной точностью порядка 10^-8. Это позволит сделать вывод о зависимости мю от гравитационного потенциала и проверить гипотезу об экранировке темной материи и темной энергии в областях с высоким гравитационным потенциалом. 4. Определить чувствительность микроволновых спектров молекул и высоковозбужденных атомов к спин-спиновым взаимодействиям. Это даст возможность планировать новые эксперименты по поиску темной материи и проверить предсказания моделей, в которых появляются неэлектромагнитные спин-спиновые взаимодействия между фермионами.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Одна из основных задач проекта — это расчеты свойств многозарядных ионов (МЗИ), представляющих интерес для создания оптических часов нового поколения. По оценкам, такие часы могут быть на один-два порядка более точными, чем часы на нейтральных атомах. Для создания часов на МЗИ надо знать такие свойства этих ионов, которые очень трудно измерить в эксперименте. Поэтому нужны прецизионные расчеты свойств МЗИ. В этом году нами впервые проведен расчет низколежащих уровней энергий иона железа Fe16+ с точностью 0.02-0.03%. Нами вычислены электрические дипольные амплитуды переходов между основным состоянием 2p6 1S0 и состояниями 2p5 3d 3D1 и 2p5 3d 1P1 с точностью лучше 1%. В эксперименте эти амплитуды не удается измерить с высокой точностью, но можно измерить отношение соответствующих сил осцилляторов. Нами получено теоретическое значение для этого отношения: R= 3.55(5). Экспериментальное значение было измерено в эксперименте на установке EBIT в Германии: R= 3.09(10). Причина расхождения теории и эксперимента пока не ясна. Поэтому эти исследования необходимо продолжать. Вторая задача - расчеты сверхтонкой магнитной аномалии (СМА) для тяжелых атомов. Такие расчеты позволяют уточнить значения магнитных моментов короткоживущих изотопов этих элементов и получить важную информацию о структуре тяжелых ядер. Мы провели расчеты сверхтонкой магнитной аномалии для атомов Au, Fr и иона Ra+. В настоящее время наши расчеты используются для обработки имеющихся экспериментальных данных. Изучение изотопических сдвигов в рентгеновских спектрах тяжелых атомов тоже позволяет получать информацию о структуре атомного ядра. Нами разработан релятивистский метод расчета изотопических сдвигов эмиссионных рентгеновских линий тяжелых атомов с учетом корреляционных и КЭД поправок. Выполнены тестовые расчеты изотопических сдвигов линий урана и проведено сравнение значений отдельных вкладов с предыдущими теоретическими результатами. Многие расширения стандартной модели предсказывают вариации таких фундаментальных физических постоянных, как постоянная тонкой структуры альфа и отношение масс электрона и протона мю. Поэтому продолжаются поиски пространственно-временных вариации этих постоянных, как в лабораторных условиях, так и в астрофизике. Мы провели анализ архивных спектров межзвездного газа в Большом и Малом Магеллановых Облаках орбитальной обсерватории Herschel. По результатам этого анализа были определены относительные доплеровские сдвиги линий тонкой структуры и чисто вращательных молекулярных переходов, имеющих различные чувствительности к вариациям мю и альфа. Анализ этих сдвигов впервые показал, что мю и альфа в карликовых галактиках БМО и ММО не отличаются от лабораторных значений на уровне 2x10^-7. Еще одно предсказание популярных расширений стандартной модели — это существование легких бозонных полей. С одной стороны, эти поля могут быть кандидатами на роль «темной материи», а с другой, они могут приводить к новым, не электромагнитным, спин-спиновым взаимодействиям фермионов. Поиск таких взаимодействий может проводиться методами атомной физики. В настоящее время получены довольно жесткие ограничения на константы связи и массы для таких бозонов. Мы получили новое представление для соответствующих потенциалов, которое более удобно для вычислений. Это позволило уточнить полученные ранее ограничения на экзотические дальнодействующие спин-спиновые силы и впервые получить ограничения на короткодействующие силы. Поиск бозонной темной материи тоже можно осуществлять с помощью прецизионных спектроскопических экспериментов. Такая темная материя представляет собой классическое поле, которое осциллирует на частоте Mc^2/h, где M — масса нового бозона. Это может приводить к осцилляциям эффективных масс элементарных частиц на той же частоте. Мы проанализировали условия наблюдения таких осцилляций в атомных экспериментах и показали, что для этого нужно сравнивать сигналы двух систем с разными динамическими характеристиками, например, атома и оптического резонатора. В этом случае экспериментально измеряется отношение dm/<m>, где <m> - среднее значение массы электрона, а dm – эффективная осциллирующая поправка к массе, зависящая от внешнего поля. Эксперименты по поиску таких осцилляций оказываются чувствительны к большим областям пространства параметров бозонной темной материи, которые пока не были исследованы.

 

Публикации

1. Козлов М.Г., Тупицын И.И. Mixed Basis Sets for Atomic Calculations Atoms, v.7(3), p.92 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.3390/atoms7030092

2. Левшаков С.А., Нг К.-В., Хенкель С., Мукержа В.. Агафонова И.И., Лиу С.-Ю., Ванг В.-Н. Testing the weak equivalence principle by differential measurements of fundamental constants in the Magellanic Clouds Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 487, issue 4, p.5175-5187 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1093/mnras/stz1628

3. Мазер Д.Л., Хоениг Е., Ванг Б.-И., Рупасинге П.М., Порсев С.Г., Сафронова М.С., Маджумдер П.К. High-precision measurement and ab initio calculation of the (6s2 6p 2 ) 3P0 →3P2 electric-quadrupole-transition amplitude in 208 Pb Physical Review A, т. 100, стр. 052506 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.100.052506


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В 2020 году продолжались исследования многозарядных ионов, которые могут быть использованы для создания оптических часов нового поколения. Был проведен расчет свойств ионов Ir17+, Cf17+ и Cf15+, имеющих незаполненную f оболочку. У этих ионов имеются очень узкие оптические переходы, которые можно использовать для создания часов. Нами была создана высокоэффективная параллельная версия программы для расчетов в рамках метода наложения конфигураций (НК), которая позволяет задействовать несколько сотен процессоров суперкомпьютера. Это позволило нам провести уникальный расчет методом НК, включив в него все (!) 60 электронов иона Ir17+. Нижние уровни этого иона принадлежат трем конфигурациям 4f13 5s, 4f14 и 4f12 5s2. Мы рассчитали положения всех этих уровней, вычислили вероятности M1 и E1 переходов между ними и определили частоту «часового» перехода. Для экспериментально известных M1 переходов наши результаты хорошо совпали с экспериментом. Е1 переходы между конфигурациями 4f13 5s и 4f12 5s2 до сих пор не наблюдались. Мы показали, что переходы, которые пытались найти экспериментально, сильно подавлены. В тоже время, мы указали более сильные переходы, обнаружить которые должно быть значительно проще. Для ионов Cf17+ и Cf15+ мы изучили часовые переходы и провели анализ эффектов, влияющих на стабильность частоты оптических часов. Продолжая изучение систем, на которых планируются или создаются оптические часы, мы провели расчеты свойств двухвалентных атомов Sr и Cd. В обоих атомах в качестве часового перехода предлагается использовать линию 5s2 1S0 − 5s5p 3P0, поэтому важно исследовать различные свойства этого перехода. В нашей совместной с экспериментаторами работе была с высокой точностью определена частота, при которой поляризуемость основного состояния Sr обращается в нуль. Экспериментальное значение оказалось в очень хорошем согласии с нашим расчетом. Также было определено время жизни состояния 5s6s 3S1 с точностью на порядок лучше по сравнению с предыдущими результатами. Для Cd мы провели расчет поправок высших порядков к световому сдвигу частоты часового перехода, характеризуемых магнитной дипольной и электрической квадрупольной поляризуемостями, а также электрической дипольной гиперполяризуемостью. Мы последовательно проводим исследования квантовоэлектродинамических (КЭД) эффектов в тяжелых атомах и ионах. С использованием разработанного нами ранее метода были рассчитаны энергии и изотопические сдвиги эмиссионных рентгеновских линий нейтральных атомов урана, тория и ртути. Имеет место хорошее совпадение с той частью данных, которая представлена в литературе. При этом наши результаты обладают более высокой точностью. Разработан новый метод учета КЭД вкладов в величину изотопических сдвигов с использованием модельного КЭД потенциала. Наших результататы заметно отличаются от предсказаний аппроксимационных формул, известных из литературы. Разработан метод учета вклада отрицательно-энергетического спектра Дирака в многоконфигурационных расчетах. Метод был использован при вычислении g-факторов Li- и B-подобных ионов в широком диапазоне Z, включая ионы U, Pb и Xe. Другое направление наших исследований связано с изучением свойств короткоживущих изотопов тяжелых элементов. В 2020 году мы провели расчет сверхтонкой структуры золота и золотоподобного иона ртути, учитывая поправку Бора –Вайскопфа. Она связана с распределением намагниченности внутри ядра и может сильно меняться при переходе от одного изотопа к другому. В поправке Бора –Вайскопфа можно выделить две части – атомный и ядерный множители. Используемые нами методы атомных вычислений позволяют определить значение атомного множителя с погрешностью 5% – 10%. Такой точности достаточно для того, чтобы получить значения ядерных множителей из анализа экспериментальных данных. Последние содержат в себе информацию о распределении намагниченности внутри ядра. Из сравнения экспериментальных данных с результатами ядерных расчетов можно сделать вывод о границах применимости ядерных моделей. В последние годы появилось много теоретических моделей в которых темная материя состоит из легких бозонных частиц. Это стимулировало новые эксперименты с атомами и молекулами по поиску такой легкой бозонной темной материи (ЛБТМ). Параллельно проводится новый анализ старых экспериментов для поиска следов ЛБТМ или для получения ограничений на величину ее взаимодействия с фермионами. Мы провели расчеты поправок к энергии киральных молекул за счет взаимодействия с легким псевдовекторным полем. Оказалось, что соответствующие поправки к энергии молекулы возникают за счет релятивистских эффектов и поэтому пропорциональны (α Z) в довольно высокой степени. Тем не менее наши расчеты показали, что эксперименты, направленные на измерение разности энергий зеркальных изомеров, обладают достаточно высокой чувствительностью к этой форме ЛБТМ. Даже из эксперимента двадцатилетней давности можно получить значимое ограничение на константу взаимодействия такого поля с электронами. Наша работа вызвала интерес у экспериментаторов и сейчас они ведут поиск оптимальной киральной молекулы для нового эксперимента. Взаимодействие со скалярным космологическим полем может приводить к эффектам, похожим на те, что вызываются вариацией фундаментальных постоянных. Поэтому поиск легкой скалярной темной материи можно проводить в экспериментах, аналогичных экспериментам по поиску вариации фундаментальных постоянных. При этом надо искать не статические эффекты, а модуляции на частоте, определяемой массой скалярного поля. В зависимости от частоты (массы) атомно-молекулярные системы имеют разную чувствительность к таким эффектам. Мы показали, как чувствительность зависит от параметров эксперимента и используемой атомной системы. Такие эксперименты сейчас проводятся несколькими группами. Мы продолжаем астрофизические исследования возможных вариаций фундаментальных постоянных. ИК переходы между уровнями тонкой структуры атома С и иона С+ и линии вращательных переходов СО наблюдаются на очень больших красных смещениях. Точное измерение частоты этих линий позволяет получать ограничение на вариацию отношения масс электрона и протона μ = me/mp. Недавно эти линии наблюдались в спектрах квазаров J0439+1634 (красное смещение z=6.519) и J2310+1855 (z=6.003). Мы обработали эти наблюдения совместно с ранее имевшимися данными для квазара J1148+5251 (z=6.419) и получили усредненное по этим трем источникам ограничение: Δμ/μ = (0.7 ± 1.2)∙10-5 при красном смещении z = 6.3. Полученный предел на вариацию μ является самым строгим верхним пределом, который удалось установить в эпоху ре-ионизации межгалактического водорода (6 < z < 10). Следует отметить, что этот диапазон красных смещений недоступен измерениям μ по оптическим спектрам квазаров. Известно, что некоторые радиочастотные линии метанола (CH3OH) имеют очень высокую чувствительность к вариации отношения масс μ. В этом году нами была предпринята попытка обнаружения линий метанола на частотах 36 ГГц и 44 ГГц в шести галактиках, находящихся за пределами локальной группы. Наблюдения проводились на 100-м радиотелескопе в Эффельсберге (Германия). Линия на 36 ГГц была обнаружена в двух галактиках: Maffei2 и IC342 на расстояниях 6 Mпс и 3.5 Mпс соответственно. Линия на 44 ГГц оказалась намного слабее, за пределом надежного детектирования для всех шести галактик. В 2020 году мы провели несколько исследований по теме проекта, мотивированных сотрудничеством с различными экспериментальными группами. Мы использовали разработанный нашей группой метод расчета тяжелых многовалентных атомов и ионов и проводили расчеты свойств, представляющих интерес для конкретного эксперимента. Эти расчеты еще раз подтвердили надежность, универсальность и высокую точность нашего метода. Был проведен расчет парциальных ширин для уровня 7p3/2 иона Ra+ с аккуратным учетом релятивистских и корреляционных эффектов. Наши результаты совпали с экспериментом на уровне экспериментальных ошибок порядка 1%. Таким образом мы проверили применимость нашего метода расчета для сложных атомов с Z близким к 100. Мы провели расчет сил осцилляторов для 2p-3d переходов в ионе Fe17+, которые недавно были измерены в Гейдельберге (Германия). Наши результаты подтвердили и уточнили предыдущие расчеты, но не совпали с данными эксперимента, который, в свою очередь, неплохо согласовывался с предыдущими экспериментами. Таким образом, наметившееся ранее противоречие между теорией и экспериментом обострилось, превысив 3 сигма. Уже после публикации статьи с этими результатами, появились частные сообщения немецких экспериментаторов, что они обнаружили проблему в обработке спектра, и новые результаты согласуются с нашими расчетами. Спектр актиния до сих пор плохо изучен. В эксперименте не удавалось увидеть даже два самых низких уровня отрицательной четности. В этом году экспериментальная группа в Майнце сумела их обнаружить используя метод двухступенчатой лазерной ионизации, а наша группа провела расчет их энергий и времен жизни. Результаты эксперимента и теории оказались в хорошем согласии друг с другом. Расчеты атомов проводились в том числе на компьютерах Федерального центра коллективного пользования научным оборудованием «Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса», http://ckp.nrcki.ru/. В 2020 году по проекту опубликовано 12 статей в реферируемых журналах первого квартиля.

 

Публикации

1. Антипас Д., Будкер Д., Фламбаум В.В., Козлов М.Г., Перес Г., Йи Д. Fast apparent oscillations of fundamental constants Annalen der Physik, v. 532, p.1900566 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1002/andp.201900566

2. Галл К., Козлов М.Г., Исаев Т.А., Бергер Р. Parity nonconserving interactions of electrons in chiral molecules with cosmic fields Physical Review A, v. 102, p. 032816 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.102.032816

3. Кун Ш., Шах Ч., Креспо Лопес-Уррутия Х.Р.,Фуджи К., Штайнбрюгге Р., Стиргоф Я.,Тогава М., Харман З., Орешкина Н.С., Чунг Ч., Козлов М.Г., Порсев С.Г. и др. High-resolution Photo-excitation Measurements Exacerbate the Long-standing Fe XVIII Emission Problem Physical Reiew Letters, v. 124, p. 225001 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.225001

4. Левшаков С.А., Козлов М.Г., Агафонова И.И. Constraints on the electron-to-proton mass ratio variation at the epoch of reionization Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, v. 498, p. 3624 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1093/mnras/staa2635

5. Порсев С.Г., Сафронова М.С. Calculation of higher-order corrections to the light shift of the 5s2 1S0 -5s5p 3Po0 clock transition in Cd PHYSICAL REVIEW A, v. 102, p. 012811 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.102.012811

6. Порсев С.Г., Сафронова Ю.И., Сафронова М.С., Шмидт П.О., Бондарев А.И., Козлов М.Г., Тупицын И.И., Чунг Ч. Optical clocks based on the Cf15+ and Cf17+ ions" PHYSICAL REVIEW A, v. 102, p. 012802 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.102.012802

7. Фан М., Холлиман К.А., Порсев С.Г., Сафронова М.С., Джейич А.М. Measurement of the 7p 2Po3/2 State Branching Fractions in Ra+ PHYSICAL REVIEW A, т.100, стр. 062504 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.100.062504

8. Хайнц А., Парк А. Дж., Сантич Н., Траутманн Дж., Порсев С.Г., Сафронова М.С., Блох И., Блатт С. State-Dependent Optical Lattices for the Strontium Optical Qubit Phys. Rev. Lett., v.124, p. 203201 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.203201

9. Хумире П.К., Хенкель К., Гонг Ю., Леурини С., Мауэрсбергер Р., Левшаков С.А., Винкель Б., Тарчи А, Кастанья П., Малави А., Асири Х., Эллингсен С.П., Маккарти Т.П., Чен Х., Танг Х. 36 GHz methanol lines from nearby galaxies: maser or quasi-thermal emission? Astronomy and Astrophysics, т. A106, стр. 633 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1051/0004-6361/201936330

10. Чакир Х., Ерохин В.А., Орешкина Н.С., Сикора Б., Тупицын И.И., Кейтель К.Х., Харман З. QED corrections to the g factor of Li- and B-like ions PHYSICAL REVIEW A, v. 101, p. 062513 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.101.062513

11. Чжан К., Штудер Д., Вебер Ф., Гадельшин В.М., Кнайп Н., Рэдер С., Будкер Д., Вендт К., Кик Т., Порсев С.Г., Чунг Ч., Сафронова М.С., Козлов М.Г. Detection of missing low-lying atomic states in actinium Physical Review Letters, v. 125, p. 073001 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.073001

12. Чунг К., Сафронова М.С., Порсев С.Г., Козлов М.Г., Тупицын И.И., Бондарев А.И. Accurate Prediction of Clock Transitions in a Highly Charged Ion with Complex Electronic Structure Phys. Rev. Lett, v.124, p.163001 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.163001


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В течение всего проекта мы продолжали развитие методов расчета сложных атомов. В 2021 году мы закончили разработку метода расчета атомов с большим числом валентных электронов, который сочетает наложение конфигураций (НК) и многочастичную теорию возмущений (МТВ). Этот метод является вариантом ранее предложенного нами метода НК+МТВ, который сейчас используется несколькими ведущими группами в мире для расчетов атомов с несколькими валентными электронами. Новый вариант предназначен для расчетов атомов и ионов с числом валентных электронов порядка 10 и более. Если метод окажется эффективным, то это позволит проводить расчеты для переходных металлов, лантанидов и актинидов, где сейчас надежные расчеты очень редки. Для таких систем размер валентного конфигурационного пространства становится слишком большим для прямого использования метода НК. С другой стороны, в МТВ возрастает роль трехчастичных вкладов, число которых очень быстро растет с числом валентных электронов. Поэтому использование МТВ становится неэффективным. В новом методе мы предложили другое деление пространства на части, в которых применяются НК и МТВ соответственно. Ранее все корреляции валентных электронов учитывались в рамках НК, а валентно-остовные и остовно-остовные корреляции учитывались по теории возмущений. Теперь мы предлагаем из валентного пространства выделить виртуальное пространство и соответствующую часть валентных корреляций учитывать в рамках МТВ. Это позволяет существенно уменьшить размерность конфигурационного пространства. С другой стороны, для того, чтобы в рамках МТВ не возникало трехчастичных вкладов, мы предлагаем все однократные возбуждения из остовных оболочек и на виртуальные оболочки включить в конфигурационное пространство. Поскольку однократных возбуждений на порядки меньше, чем многочастичных, соответствующее увеличение конфигурационного пространства оказывается не столь значительным. В результате происходит перераспределение вкладов между пертурбативной и непертурбативной частями задачи: более слабые валентные корреляции учитываются в рамках МТВ, а трехчастичные валентно-остовные корреляции включаются в конфигурационное пространство. Для того, чтобы упростить решение задачи методом НК можно использовать ранее разработанные методы приближенной диагонализации больших матриц, когда некоторые недиагональные блоки матрицы не учитываются. Мы провели тестовые расчеты гелия, бора и скандия, которые показали работоспособность нового метода. Для скандия мы показали, что учет остовно-валентных корреляций в рамках нового подхода существенно улучшает согласие с экспериментом. После завершения тестирования мы применили новый метод для расчета атома тулия, который имеет 15 валентных электронов. Мы рассчитали энергии, g-факторы и константы сверхтонкой структуры для низколежащих уровней, а также вычислили некоторые вероятности E1 переходов. Сравнение с имеющимися экспериментальными данными показывает неплохое согласие. Мы продолжаем исследование области применимости нового метода и возможности его оптимизации. Продолжаются активные исследования ионов тория для создания часов на ядерном переходе в изотопе 229. Развитие методов охлаждения многозарядных ионов открывает новые возможности для изучения ядерного перехода. Мы провели расчет иона Th35+ и показали, что в нем имеется электронный переход на частоте 8.31 eV, что близко к частоте ядерного перехода. Резонанс между электронным и ядерным переходом позволяет стимулировать последний и перевести ядро в изомерное состояние. Наша оценка вероятности этого процесса показывает возможность получения изомера 229mTh на установках EBIT. Ион La- уникален тем, что имеет большое количество дискретных и автоионизационных состояний. Мы рассчитали спектр этих состояний. Наши расчеты связанных состояний хорошо совпали ранее проведенными экспериментами. Мы также смогли идентифицировать все автоионизационные резонансы, которые наблюдались в сечении фотоотрыва электрона и предсказали несколько новых резонансов. Один из них оказался на самой границе области, доступной для наблюдения. Это позволило быстро обнаружить его в эксперименте. Мы продолжили расчеты сверхтонкой структуры (СТС) атомов и ионов с целью уточнения магнитных дипольных и электрических квадрупольных моментов тяжелых ядер, включая короткоживущие изотопы и изомеры. Мы провели расчеты для иона Th3+ и получили уточненные значения магнитного и квадрупольного моментов основного состояния 229 изотопа. Когда появятся достаточно точные данные об СТС для изомерного состояния этого ядра, наши результаты можно будет применить для определения и его моментов. Наши расчеты СТС атома золота позволили получить информацию о распределении намагниченности внутри ядра для 10 изотопов и изомеров золота. Мы продолжаем поиск «новой физики» за пределами Стандартной модели методами атомной физики. Последняя позволяет в частности проводить поиск вариации фундаментальных постоянных как в лабораторных экспериментах, так и в астрофизических наблюдениях. В последнее время появилось много новых бозонных моделей темной материи. Некоторые модели такого типа (в частности, дилатонные и релаксионные модели) предсказывают быстрые осцилляции фундаментальных констант на частоте определяемой массой экзотического бозона. Теория плохо предсказывает частоту таких осцилляций, поэтому поиск идет в максимально широком диапазоне частот. Если частота осцилляций меньше, чем ширина атомного перехода, то они могут приводить к наблюдаемым эффектам в спектроскопических экспериментах на атомах. Мы сотрудничаем с экспериментальной группой Дмитрия Будкера в Майнце, где проводится эксперимент на атоме цезия и получены жесткие ограничения на осцилляции постоянной тонкой структуры и массы электрона в диапазоне частот от 100 кГц до 10 МГц. Сейчас планируются аналогичные эксперименты с молекулами, где появляется чувствительность к быстрым осцилляциям отношения масс электрона и протона. Другой класс бозонных моделей темной материи предполагает хиггсоподобное взаимодействие нового бозона с обычной материей. Такие модели предсказывают зависимость отношения масс электрона и протона от плотности темной материи. Для астрофизики это означает, что отношение масс электрона и протона может зависеть от расстояния источника от центра Галактики. Для проверки этого предсказания мы провели анализ частот метанольных мазеров I класса, наблюдаемых в молекулярных облаках Млечного пути. Из большого массива опубликованных данных мы отобрали 18 источников, где одновременно наблюдались два мазерных перехода с разными чувствительностями к вариации отношения масс электрона и протона. Расстояния этих источников от центра Галактики меняется от 4 до 12 килопарсек. Обработка этих спектров позволила получить новое ограничение на вариацию отношения масс электрона и протона на уровне 2*10-8. Это ограничение можно еще уточнить, если провести специализированные наблюдения нескольких наиболее сильных мазерных источников на разных расстояниях от центра Галактики. Мы подали заявку на такие наблюдения на 100 м телескоп в Эффельсберге и получили время в декабре 2021 года (проект 13-21). Еще одно направление исследований в рамках проекта связано с эффектами несохранения четности в атомах и молекулах. Такие эффекты неоднократно наблюдались в атомах, а в молекулах пока нет. Между тем, в молекулах эффекты несохранения четности, зависящие от спина ядра, существенно усилены. Один из эффектов, отсутствующий в атомах — это Р-нечетное взаимодействие между двумя ядерными спинами. Мы предложили ЯМР эксперимент по наблюдению этого взаимодействия. Величина эффекта быстро растет с зарядом ядра Z. Наша оценка для молекулы TlF предсказала величину эффекта ~0.01 Гц, а точный расчет Л. Скрипникова дал 0.003 Гц. Чувствительность ЯМР экспериментов достаточна для наблюдения такого эффекта в жидкой фазе. К сожалению, для молекулы TlF нет подходящего растворителя. В тоже время, эта молекула успешно используется для прецизионных экспериментов на молекулярных пучках. Поэтому мы совместно с экспериментаторами предложили другой вариант эксперимента на молекулярном пучке. Пучок TlF имеется в Колумбийском университете, где планируется эксперимент CeNTREX по поиску нарушения временной инвариантности. Таким образом появляется возможность использовать один пучок для двух экспериментов по поиску эффектов нарушения дискретных симметрий. В 2021 году по проекту опубликовано 7 статей, в том числе 6 в квартиле Q1. Еще одна статья принята в печать в Physical Review Letters (Q1). Часть вычислений по проекту проведена с использованием ресурсов Федерального центра коллективного пользования «Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса», http://ckp.nrcki.ru/.

 

Публикации

1. Антипас Д., Третьяк О., Чжанг К., Гаркон А., Перез Г., Козлов М.Г., Шиллер С., Будкер Д. Probing fast oscillating scalar dark matter with atoms and molecules Quantum Science and Technology, v. 6, p. 034001 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1088/2058-9565/abe472

2. Бланчард Дж.В., Кинг Дж.П., Селандер Т.Ф., Козлов М.Г, Будкер Д. Molecular parity nonconservation in nuclear spin couplings PHYSICAL REVIEW RESEARCH, v.2, p.023258 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.023258

3. Демидов Ю.А., Коновалова Е.А., Иманбаева Р.Т., Козлов М.Г., Барзах А.Е. Atomic calculations of the hyperfine-structure anomaly in gold PHYSICAL REVIEW A, v. 103, p. 032824 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.103.032824

4. Малышев А.В., Глазов Д.А., Кожедуб Ю.С., Анисимова И.С., Кайгородов М.Ю.,Шабаев В.М., Тупицын И.И Ab initio Calculations of Energy Levels in Be-Like Xenon: Strong Interference between Electron-Correlation and QED Effects PHYSICAL REVIEW LETTERS, v. 126, p. 183001 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.183001

5. Порсев С.Г., Сафронова М.С. Role of triple excitations in calculating different properties of Ba+ PHYSICAL REVIEW A, v. 103, p. 042815 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.103.042815

6. Порсев С.Г., Сафронова М.С., Козлов М.Г. Precision calculation of hyperfine constants for extracting nuclear moments of 229Th Physical Review Letters, - (год публикации - 2021)

7. Порсев С.Г., Ченг Ч., Сафронова М.С. Low-lying energy levels of ^{229}Th35+ and the electronic bridge process Quantum Science and Technology, v. 6, n. 3, p. 034014 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1088/2058-9565/ac08f1

8. Сафронова М.С., Ченг Ч., Козлов М.Г., Спильман С.Е., Гибсон Н.Д., Вальтер Ч.В. Predicting quasibound states of negative ions: La − as a test case PHYSICAL REVIEW A, v. 103, p. 022819 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.103.022819

9. Ченг Ч., Сафронова М.С., Порсев С.Г. Scalable Codes for Precision Calculations of Properties of Complex Atomic Systems Symmetry, v. 13, p. 621 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/sym13040621


Возможность практического использования результатов
не указано