| Аннотация |
Проект направлен на прецизионное исследование уровней энергии экзотических связанных состояний в Стандартной модели взаимодействия элементарных частиц. На их основе планируется прецизионное исследование наблюдаемых частот перехода между уровнями энергии, уточнение отдельных фундаментальных параметров теории. Актуальность и новизна планируемых результатов обусловлена расширением экспериментальных исследований различных экзотических систем, которые позволяют изучать область взаимодействия, недоступную другимиспособами. В проекте будет выполнен расчет новых вкладов в спектре энергии исследуемых атомов и молекул, увеличена точность расчета частот перехода между уровнями энергии. В последние годы был достигнут значительный прогресс в изучении мюонных атомов и молекул. Мюонная физика приобрела актуальное значение в экспериментах CREMA (Charge Radius Experiments with Muonic Atoms)по определению зарядовых радиусов легких ядер. Несмотря на достигнутые успехи эта проблема остается актуальной, так как из разных экспериментов появляются значения зарядового радиуса протона, значительно отличающиеся друг от друга (0.84-0.87 фм) (A. D. Brandt et al., PRL 128, 023001 (2022)). Новые планы CREMA связаны с исследованием спектра энергии мюонных ионов лития, бериллия и др. Коллаборация QUARTET (QUAntum inteRacTions for Exotic aToms) (arXiv:2210.16929v1 [nucl-th]; https://doi.org/10.1007/s10909-024-03141-x) проведет высокоточные измерения в легких мюонных атомах (Li-Ne) с целью более точного определения их зарядовых радиусов. Предсказательная сила теории связанных состояний в квантовой электродинамике зависит от знания фундаментальных констант, таких как массы частиц, постоянная Ридберга, зарядовые радиусы и др. Точные зарядовые радиусы, полученные из мюонного водорода, дейтерия, ионов мюонного лития являются ориентирами для понимания адронной и ядерной структуры. Три коллаборации в J-PARC (Япония), в RIKEN-RAL (Великобритания) и в PSI (Швейцария) (https://doi.org/10.1016/j.physleta.2021.127401), (http://dx.doi.org/10.21468/SciPostPhys.13.2.020), (http://dx.doi.org/10.3204/DESY-PROC-2014-04/67) планируют измерить сверхтонкую структуру (СТС) основного состояния в мюонном водороде с точностью 1 ppm с помощью импульсной лазерной спектроскопии, из которой можно извлечь точную информацию о магнитной структуре протона. В центре J-PARC MuSEUM планирует на порядок более точное измерение СТС мюония, а эксперимент MU-MASS в PSI ставит цель измерить частоту перехода (1S-2S) в мюонии с точностью 10 кГц (4 ppt). Новое измерение СТС основного состояния мюонного гелия в J-PARC MUSE в 2023 г. дало результат 4464.980(20) МГц (P.Strasser et al. PRL 131, 253003 (2023)), который на 0.4 МГц отличается от теоретических значений, полученных разными группами. В 2020-2022 гг. достигнут значительный прогресс в экспериментах с ридберговскими состояниями в пионном гелии (PiHe коллаборация) путем обнаружения перехода (17; 16) -> (17; 15) на частоте 183760 ГГц в PSI (M. Hori et al. Laser spectroscopy of pionic helium atoms, Nature 581, 37 (2020). Коллаборация ASACUSA измерила частоты переходов в антипротонных атомах гелия (A. Sótér et al Nature 603 (2022) 411). Группа M. Hori планирует выполнить лазерную спектроскопию каонного атома с помощью пучка каонов на DAPHNE, которая позволит улучшить точность определения массы заряженного каона на 2–3 порядка по сравнению с нынешним уровнем. Исследование уровней энергии экзотических атомов и молекул является актуальным направлением, требующим расчетов наблюдаемых величин с высокой точностью. Продолжаются исследования реакций образования мезомолекул водорода, для теоретического описания которых важное значение имеют энергии мезоатомов и молекул (А. Адамчак и др. ЖЭТФ, 2022 г., Том 161, Вып. 2, стр. 177). В рамках данного проекта планируется решение ряда задач по расчету новых вкладов в тонкую и СТС спектра мюонных (мезонных) атомов, которые связаны с экспериментальными исследованиями.
В рамках реализации проекта планируется решить ряд важных задач по расчету характеристик связанных состояний частиц, мюонных атомов и молекул. Наши задачи теоретического исследования тесно связаны с экспериментальными исследованиями. Для мюонных атомов – это эксперименты коллаборации CREMA (Charge Radius Experiments with Muonic Atoms) (PSI, Швейцария), коллаборации FAMU (Fisica Atomi MUonici) (INFN, Триест, Италия), J-PARC MUSE, коллаборации QUARTET, коллаборация PiHe. Необходимо подчеркнуть, что новизна данной тематики связана с новыми вычислениями ранее неизвестных вкладов в тонкую и сверхтонкую структуру спектра, с развитием теории расчета спектров энергии атомов и молекул в квантовой электродинамике, с расчетами, в которых энергетические интервалы будут получены с большей точностью, в решении проблем расхождения теоретических и экспериментальных результатов, которое наблюдается по отдельным задачам.
Планируемые результаты выполнения проекта
1. В рамках аналитического метода расчета уровней энергии мюонного гелия и вариационного метода планируется выполнить новый расчет сверхтонкой структуры основного состояния. Последнее измерение сверхтонкого расщепления в J-PARC MUSE в 2023 дало результат 4464.980(20) MHz (P.Strasser et al. PRL 131, 253003 (2023)), который отличается от теоретических расчетов (включая наши расчеты) на величину порядка 0.4 МГц, что можно считать значительным расхождением. Мы планируем улучшить наши теоретические расчеты (R.N. Faustov et al., Phys. Rev. A 105, 042816 (2022)) за счет отказа от ранее использованных приближений (в рамках аналитического метода) и учета новых вкладов в операторе взаимодействия частиц по теории возмущений в вариационном подходе порядка O(alpha^6-alpha^7). Планируется более точный расчет поправок на поляризацию вакуума, структуру ядра, вершинных поправок и релятивистских эффектов.
2. Будет выполнен расчет ридберговских состояний в трехчастичных системах каонного и сигма-гиперонного гелия в рамках вариационного метода в квантовой электродинамике и метода теории возмущений. Мы планируем увеличить точность расчета за счет учета новых вкладов порядка O(alpha^6-alpha^7) по постоянной тонкой структуры и отношению масс частиц в гамильтониане системы. Данное вычисление связано с экспериментами коллаборации ASACUSA, которая измерила частоты перехода антипротонных атомов гелия в 2021-2022 г. (A. Soter et al. Nature 603, 411 (2022)) и коллаборации PiHe в PSI, которая выполнила лазерную спектроскопию пионного атома гелия (M. Hori, et al.,Nature 581, 37 (2020).). Спектроскопия мезонного гелия и сигма-гиперонного гелия открывает возможность для получения более точных значений масс частиц (пиона, каона, сигма-гиперона). Расчет будет проведен с использованием двух базисных наборов волновых функций (экспоненциального и гауссового). Будет получен набор значений энергий таких систем для возбужденных состояний мезона и сигма-гиперона с большими значениями главного и орбитального квантовых чисел. Эксперимент с каонным гелием находится в настоящее время на стадии подготовки на каонном пучке в DAPHNE (M. Hori Determination of the charged kaon mass by laser spectroscopy of kaonic helium atoms at DAPHNE, https://agenda.infn.it/event/45316).
3. Будет выполнено исследование вклада слабых взаимодействий в лэмбовский сдвиг и сверхтонкую структуру мюония и мюонного водорода, с которым связана часть теоретической ошибки. Предполагается выполнить расчет амплитуд однобозонного обмена с петлевыми эффектами, двухбозонных обменных амплитуд (диаграммы типа бокс) для увеличения точности расчетов этих величин. Будет получен вклад в оператор взаимодействия частиц от амплитуд такого обмена. Предварительные оценки вклада по общему фактору al^5*mu^3/sin(theta w)^2/Mw^2, содержащему константы взаимодействия частиц, показывают, что в случае мюония он может составлять несколько Гц. Расчет такого рода поправок важен для достижения общей высокой точности вычислений, так как планируемая точность в новом эксперименте J-PARC MUSE в мюонии будет составлять значение порядка 1 ppb, а планируемая точность измерения СТС в мюонном водороде в J-PARC, RIKEN-RAL и PSI составит 1 ppm.
4. Будут продолжены исследования различных поправок в лэмбовском сдвиге мюонных ионов лития, бериллия и бора (A. A. Krutov, A. P. Martynenko, F. A. Martynenko, and O. S. Sukhorukova, Phys. Rev. A 94, 062505 (2016)) с целью увеличения точности расчета. Рост заряда ядра приводит к относительному изменению величины различных вкладов в спектр энергии, поэтому новый анализ и расчет различных поправок крайне необходим. Будут вычислены новые комбинированные поправки на поляризацию вакуума и структуру ядра в первом и втором порядках теории возмущений порядка O(alpha^6)-O(alpha^7). Для этого будут построены соответствующие вклады в оператор взаимодействия частиц, а расчет матричных элементов будет выполнен аналитически. Данная работа необходима в связи с экспериментами коллаборации QUARTET (QUAntum inteRacTions for Exotic aToms) (https://doi.org/10.3390/physics6010015; https://doi.org/10.1007/s10909-024-03141-x), в которых планируется значительное улучшение точности определения абсолютных зарядовых радиусов легких ядер от Li до Ne (увеличение точности в 10-50 раз).
5. Будут изучены радиационные поправки к трехфотонным обменным амплитудам взаимодействия со структурой ядра в лэмбовском сдвиге и СТС мюонного водорода, как в нашей работе с двухфотонным взаимодействием (R.N.Faustov, A.P.Martynenko, F.A.Martynenko et al. Phys. Lett. B 775, 79 (2017)). Оценка возможной величины такого вклада E_F*alpha^3 (alpha - постоянная тонкой структуры, E_F - энергия Ферми) дает значение порядка 0.5 ppm и показывает, что этот вклад может иметь значение в связи с увеличением точности измерения сверхтонкой структуры в мюонном водороде. Мы планируем исследовать отдельно случай точечного ядра и получить аналитические результаты для поправок. Затем будут получены вклады на структуру ядра в результате разложения электромагнитных формфакторов протона и дейтрона.
6. В рамках развиваемого нами релятивистского квазипотенциального метода рождения связанных состояний частиц будет проведен расчет сечений одиночного и парного рождения димюония и дитауония в распаде Z бозона. Рождение связанных состояний лептонов представляет собой специальную задачу в общей проблеме на связанные состояния частиц (F.A. Martynenko et al., Production of dileptonic bound states in the Higgs boson decay, Phys.Rev.D 110 (2024) 5, 056016). Несмотря на то, что димюоний и дитауоний изучен теоретически, такие связанные состояния лептонов пока не наблюдались. Планируются разные эксперименты для их обнаружения. Мы планируем получить предсказания для сечений рождения таких лептонных связанных состояний с учетом релятивистских эффектов в распаде Z бозона. Будут изучены разные амплитуды рождения (механизмы рождения) димюония и дитауония. Будут вычислены релятивистские поправки как к амплитуде рождения, так и к волновой функции связанных состояний лептонов. Все результаты для ширин распада с образованием лептонных связанных состояний будут получены аналитически и на их основе даны численные оценки.
|
