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 19-72-10019

НазваниеТеоретическое исследование свойств и структуры ядер с использованием атомно-молекулярных систем

РуководительСкрипников Леонид Владимирович, Кандидат 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

07.2022 - 06.2024

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41).

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

Ключевые словамагнитные и электрические моменты, ядерный магнитный резонанс, электронная структура, сверхтонкая структура, релятивистские эффекты

Код ГРНТИ29.29.21

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Благодаря прорывному развитию экспериментальной техники манипулирования атомами, ионами и молекулами такие системы всё чаще становятся "лабораториями" для изучения различных физических явлений, используются для построения атомных часов, выступают элементами построения квантовых компьютеров, используются для прецизионного измерения фундаментальных физических констант, проверки теорий фундаментальных взаимодействий [Rev. Mod. Phys. 90, 025008 (2018); Nature Communications 8, 15484 (2017)]. Однако во многих случаях при решении этих задач возникают проблемы, связанные с недостоверностью информации о структуре и свойствах ядер атомов. Именно это становится основным источником погрешностей при предсказании ряда атомных и молекулярных свойств. Цикл работ, выполненных нами в последние годы [Phys. Rev. Research 2, 013368 (2020); Phys. Rev. Lett., 120, 093001 (2018); Phys. Rev. C 104, 034316 (2021)], позволяет утверждать, что во многих случаях погрешности указываемые в справочных таблицах о различных ядерных свойствах сильно недооценены, что ведёт к различным “парадоксам” и “загадкам” при использовании этих данных [https://physicsworld.com/a/has-the-hypefine-puzzle-been-solved/]. На сегодняшний день, надежность прямых расчетов свойств ядра оказывается ограниченной. Особенно это касается тяжёлых ядер. Поэтому, эти свойства изучают экспериментально. На сегодняшний день накопился обширный объём экспериментальных данных по изотопическим сдвигам энергий электронных переходов в атомах, который может позволить изучать целые цепочки ядер изотопов, следить за эволюцией оболочечной структуры, появлением магических чисел, образования экзотических форм ядер и т.д. Анализ данных о свойствах короткоживущих ядер, с экстремально большим или малым числом нейтронов могут предоставить информацию о параметрах для уравнения состояния ядерной материи. Однако для интерпретации экспериментов требуется знать с высокой точностью т.н. электронные множители для изотопических сдвигов. В проекте будут на новом, очень высоком теоретическом уровне интерпретированы данные по различным цепочкам изотопов таких атомов как Tl, Si, Al, Au и др., для которых либо есть неполные теоретические данные, полученные в рамках простых моделей, либо такие данные отсутствуют вообще. Сейчас запланирована серия молекулярных экспериментов по измерению практически неизученного свойства ядра - его анапольного момента с использованием техники штарковской интерференции. Анапольный момент является проявлением внутриядерных сил, нарушающих пространственную чётность, и ранее был измерен лишь единожды, притом с большой погрешностью, для ядра 133Cs [C. S. Wood et al., Science 275, 1759 (1997)]. Запланированные эксперименты с молекулами, как ожидается, позволят впервые измерить анапольный момент ядра с большой точностью. В проекте будут развиты подходы, которые позволят на высочайшем уровне точности извлекать значения анапольного момента из них. Более того, в предлагаемом проекте будет выполнено исследование возможности проведения нового типа эксперимента по поиску анапольных моментов ядер с использованием молекул. В настоящем проекте мы планируем развить оригинальные подходы по извлечению магнитных моментов ядер. Для этого будут рассмотрены различные схемы, предполагающие комбинирование различных данных, например, по сверхтонким расщеплениями в молекулах и в атомах, или данные по ядерному магнитному резонансу и сверхтонкой структуре. Такие подходы, как ожидается, смогут позволить впервые обойти ограничения, связанные с отсутствием надежной информации о распределении намагниченности в ядрах тяжёлых элементов. Ряд задач, предлагаемых к решению в проекте, обусловлен прямым интересом/запросом коллег-экспериментаторов. Для их решения будут адаптированы и развиты подходы проекта 2019 года, которые уже позволили решить проблему интерпретации экспериментов для других свойств ядер на рекордном уровне точности.

Ожидаемые результаты
Целью продолжающегося проекта является развитие оригиральных подходов к решению задачи надёжного извлечения фундаментальных свойств ядра из высокоточных экспериментов с молекулами и атомами, а также исследование возможностей проведения новых экспериментов по изучению ядра. Важнейшим свойством ядра, характеризующем его структуру, является его среднеквадратичный радиус. Для получения информации о нём можно выполнять прецизионные эксперименты по измерению изотопических сдвигов энергий электронных переходов в атомах. При наличии измерения изотопического сдвига для одного такого перехода требуется привлечение теории, для интерпретации эксперимента в терминах разности квадратов радиусов рассматриваемых изотопов. На данный момент доступны “сырые” экспериментальные данные, полученные для цепочки изотопов Si; кроме того, ведутся эксперименты для изотопов Al. Важным аспектом подобных исследований является возможность изучения пары т.н. зеркальных ядер: одно ядро из такой пары имеет Z протонов и N нейтронов, а другое N протонов и Z нейтронов. Если пренебречь зависимостью взаимодействия нуклонов в ядрах от их зарядов, изучая такую зеркальную пару и зная разность квадратов ядерных радиусов (обусловленных распределением положительно заряженных протонов) можно получать информацию о разности квадратов радиусов распределения нейтронов в ядре. Полученная информация затем может быть использования для нахождения параметров ядерных сил и тестирования теории строения ядра. Измерения радиуса ядра 32Si смогут дополнить данные по радиусам в паре зеркальных ядер 32Ar-32Si, т.к. радиус ядра 32Ar уже известен [Nuclear Physics A, 607, 1 (1996)]. Кроме того, одно из ядер рассматриваемых изотопов кремния, 34Si, предположительно имеет “пузырьковую” структуру с пониженной центральной плотностью, что также представляет большой интерес [Nature Physics 13, 152 (2017)]. Результатом нашей работы будет являться надёжная интерпретация этих измерений в терминах разностей квадратов радиусов изотопов из рассматриваемой цепочки. Особенностью нашего рассмотрения будет решение нетривиальной задачи по учёту эффектов электронной корреляции высоких порядков, в том числе превосходящий текущие мировые “стандарты” в этой области исследований. В проекте 2019 года мы неоднократно показали такую возможность при рассмотрении других свойств ядра, например, в работе [Phys. Rev. C 104, 034316 (2021)] мы показали, что подход метода связанных кластеров в рамках формулировки для пространства Фока может существенно превосходить подходы вроде многоконфигурационного метода Дирака-Фока [Phys. Rev. Lett. 87, 133003 (2001)] при описании состояний нейтрального атома висмута. Отметим, что этот подход часто используется для вычисления электронных множителей изотопических сдвигов, см. например [J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 38 025104 (2011)]. Теоретическими исследованиями изотопических сдвигов занимается также группа теоретиков из Австралии и Германии (см. [Phys. Rev. Lett. 128, 073001 (2022); Phys. Rev. A 103, 032811 (2021)] и ссылки в этой работе). Но их в основном интересует задача поиска новой физики с использованием таких экспериментов. В своих работах они учитывают различные вклады в изотопические сдвиги типа деформации ядра. В нашем подходе, тоже можно учесть эти эффекты. Отметим, что недавно в работе индийской группой [New J. Phys. 22, 012001 (2020)] метод связанных кластеров был применён к вычислению электронных множителей изотопических сдвигов в атоме In. Однако в этих расчётах учитывались только однократные и двукратные кластерные амплитуды с пертурбативной поправкой на трёхкратные для некоторых валетных электронов. В нашем же подходе [Phys. Rev. C 104, 034316 (2021); Symmetry, 12, 1101 (2020)] можно полностью учитывать трёхкратные кластерные амплитуды, и при этом не пертурбативно, а итеративно. Это позволяет качественно улучшить результаты расчёта. Кроме того, не очевидно, развит ли подход [New J. Phys. 22, 012001 (2020)] для описания двух или трёх частиц. Насколько нам известно, для последнего случая подход с учётом итеративных трёхкратных кластерных амплитуд реализован только в программе, автором которой является один из основных исполнителей данного проекта. В этом плане мы ожидаем получить наиболее точные результаты для электронных множителей изотопических сдвигов Al и Si по сравнению с другими подходами, развитыми другими группами на сегодняшний день. Мы также планируем провести интерпретацию данных измерений изотопических сдвигов, выполненных на цепочках изотопов таллия в нашем институте (НИЦ КИ-ПИЯФ) на установке ИРИС [A.E. Barzakh et al, Phys. Rev. C 88, 024315 (2013)]. Аналогичные исследования будут выполнены для изотопов золота. Комбинация экспериментальных и теоретических данных поможет найти радиусы для ядер разных изотопов, в том числе короткоживущих с экстремально большим или малым числом нейтронов. Такие исследования помогут лучше понять устройство ядерных сил, которые лежат в основе нашего понимания свойств ядра и ядерной материи (нейтронных звёзд), ядерных превращений и т.д. Отметим, что с задачей интерпретации этих измерений изотопических сдвигов к нам обратились группы экспериментаторов. В настоящем проекте мы планируем развить оригинальные подходы по извлечению магнитных моментов ядер. В одном из них планируется комбинировать результаты измерений ядерного магнитного резонанса и сверхтонкой структуры атомов с результатами прецизионных расчётов свойств, определяемых электронной структурой. Мы планируем, например, уточнить значение магнитного момента ядра 197Au. Сейчас его погрешность упирается в отсутствие надежной информации о функции распределения намагниченности по ядру, которая даёт непренебрежимый вклад в константу экранирования. Ожидается, что комбинирование экспериментальных данных по наблюдению ядерного магнитного резонанса и сверхтонкой структуры, а также прецизионных расчётов электронной структуры позволит обойти эту проблему. Отметим, что эффекты от конечного распределения намагниченности в ядре изучаются в мире несколькими группами (из России, Австралии, США), см. например [Phys. Rev. A 103, 032824 (2021); Phys. Rev. A 105, 052802 (2022)] (и ссылки). Но там речь идёт об учёте этого вклада в сверхтонкие константы атомов. В рассматриваемой же задаче, речь идёт об учёте вклада этого эффекта в константу экранирования. В работах [Phys. Rev. Lett. 107, 043004 (2011); Phys. Rev. A 85, 022512 (2012)] такая задача рассматривалась для водородоподобных ионов в рамках конкретной модели распределения намагниченности. В работе нашей группы [arXiv:2204.13015 [physics.atom-ph] (2022)] мы решили такую задачу для многоэлектронной молекулы ReO4-. Но, если рассматривать задачу с золотом, то для него известно, что эффекты распределения намагниченности плохо описываются простыми моделями, например, это проанализировано на высоком уровне в работе [Phys. Rev. A 103, 032824 (2021)]. Поэтому мы и планируем вместо конкретной простой модели рассмотреть возможность использования дополнительных экспериментальных данных в комбинации с прецизионными расчётами электронной структуры, чтобы учесть рассматриваемый вклад. Возможность такого подхода ранее никогда не рассматривалась. Это откроет новые перспективы для точности извлечения ядерных магнитных моментов из экспериментальных данных. На текущий момент для множества ядер значения магнитных моментов ограничены возможностями интерпретации экспериментальных данных, притом, что точность самих экспериментов очень высокая. Магнитный момент ядра является одной из нескольких наиболее важных его фундаментальных характеристик наряду с его среднеквадратичным радиусом. Знание магнитных моментов ядер с высокой точностью требуется для задач проверки квантовой электродинамики, вычислению ядерных магнитных аномалий, которые необходимы для изучения магнитного строения ядра и т.д. Мы также планируем исследовать другую новую возможность нахождения магнитного момента ядра - с использованием данных о сверхтонкой структуре молекул. В качестве тестовой системы для этого подхода планируется рассмотреть молекулу монооксида тория, для которой планируются эксперименты по измерению сверхтонкой структуры. Интерес к этой системе связан с тем, что в ряде случаев интерпретировать данные молекулярных экспериментов оказывается проще, чем атомных (этот вывод был нами сделан по итогам выполнения проекта 2019 года) [L.V. Skripnikov, A.V. Oleynichenko, A.V. Zaitsevskii, D.E. Maison, A.E. Barzakh, Phys. Rev. C 104, 034316 (2021)]. Т.е. предлагаемый нами подход предположительно откроет новые возможности для нахождения магнитных моментов ядер, для которых можно выполнить эксперименты по измерению только сверхтонкой структуры атомов или молекул, а спектроскопия ЯМР в силу тех или иных причин не представляется возможной (например, в силу нестабильности ядер и т.д.). Такой подход позволит уточнить/узнать магнитные моменты радиоактивных ядер. Одной из ключевых идей здесь является также учёт вклада эффекта распределения намагниченности по ядру, оригинальный способ рассмотрения которого в молекулах был предложен в работе [J. Chem. Phys. 153, 114114 (2020)]. Отметим, что на сегодняшний день ни одна из других групп исследователей (из Франции, Нидерландов, Индии, Японии), занимающихся предсказанием сверхтонкой структурой молекул, такого типа эффекты не рассматривает, ограничиваясь точечного магнитного дипольного момента ядра.. Одним из интересных, но практически неизученных свойств ядра является его анапольный момент. Анапольный момент ядра является проявлением внутриядерных взаимодействий, которые нарушают пространственную чётность [Zeldovich, Sov. Phys. JETP 6, 1184 (1958);V. V. Flambaum and I. B. Khriplovich, Sov. Phys. JETP 52, 835 (1980); V. V. Flambaum, I. B. Khriplovich, and O. P. Sushkov, Phys. Lett. B146, 367 (1984)]. Анапольный момент был измерен только один раз для ядра цезия 133Cs и при этом с очень большой погрешностью [C. S. Wood et al., Science 275, 1759 (1997)]. Сейчас планируются новые эксперименты по измерению анапольных моментов ядер с использованием молекулярных катионов, удерживаемых в ловушке Пеннинга. Ожидается, что анапольные моменты могут быть измерены с высокой точностью. Однако надёжная интерпретация этих экспериментов, т.е. извлечение значений анапольных моментов, потребует высокоточных расчётов молекулярных констант взаимодействия этих моментов с электронами. Мы выполним расчёты этих характеристик для молекулярного катиона SiO+ и/или аналогичных, запланированных для проведения эксперимента на самом высоком уровне точности. Наконец, мы планируем рассмотреть (предложить) схему нового типа эксперимента по измерению анапольных моментов ядер. Для этого будет изучен вклад непрямого взаимодействия ядер в двухатомной молекуле монофторида таллия, индуцированного анапольным моментом ядра таллия и нарушающего пространственную чётность. В проекте 2019 года мы развили уникальный подход к предсказанию значения константы непрямого взаимодействия магнитных дипольных моментов ядер в двухатомной молекуле, базирующийся на теории релятивистских связанных кластеров. Мы показали, что точность такого подхода значительно превышает точность метода релятивистской теории функционала плотности, которая в лучшем случае используется в мире для решения этой задачи для соединений тяжёлых элементов (например, [Phys. Chem. Chem. Phys., 19, 8400 (2017)]). Поэтому обобщение данного подхода на задачу о непрямом взаимодействии анапольного момента одного ядра и магнитного дипольного момента другого ядра, как ожидается, сможет дать результаты на уровне точности, не имеющих аналогов. Измерения анапольных моментов позволят получить совершенно уникальную информацию о параметрах ядерных сил, нарушающих пространственную чётность [Phys. Rev. C 65, 045502 (2002)].

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---