Физики провели сверхточное измерение частоты колебательного перехода в молекулярном ионе водорода HD⁺ с помощью метода абсорбционной спектроскопии в среднем инфракрасном диапазоне. Полученное значение они сопоставили с теоретической формулой, благодаря чему удалось уточнить величину отношения массы протона к массе электрона. Работа опубликована в Nature Physics.

История развития физики неразрывно связана с улучшением точности спектроскопии атомов и молекул. Так, на становление квантовой механики повлияли попытки интерпретации линейчатого спектра атома водорода, в особенности его тонкой структуры. А открытие более тонкого зазора между энергетическими уровнями — лэмбовского сдвига — привело к созданию квантовой электродинамики. Подробнее об этом вы можете прочитать в нашем материале «Щель в доспехах». 

На пути к росту точности неизбежно возникают различные трудности. Среди них — допплеровское уширение спектральных линий, вызванное хаотическим движением атомов и молекул. Для решения этой проблемы физики придумали помещать их в ловушки, в которых их движение ограничено (режим Лэмба — Дикке). Это стало возможным благодаря технике лазерного охлаждения, однако не все частицы, в особенности молекулы, можно охладить таким способом. 

Чтобы обойти эту трудность группа физиков из Германии и России при участии Владимира Коробова (V. I. Korobov) из Объединенного института ядерных исследований использовала технику симпатического охлаждения. В ней атомы или молекулы, которые не поддаются лазерному охлаждению, смешивают с частицами, которые можно так охладить. За счет кулоновского отталкивания первые передают свою кинетическую энергию вторым и остывают. 

В своем эксперименте физики задерживали в ионной ловушке порядка ста молекулярных ионов водорода HD⁺ (система их протона, дейтрона и электрона) в смеси с несколькими тысячами ионами бериллия Be⁺, которые были подвергнуты лазерному охлаждению. В предыдущей работе авторы уже исследовали такие кластеры и выяснили, что водородные ионы в них вытесняют ионы бериллия к краям ловушки, образуя в середине ионную нить толщиной примерно в два микрона с температурой 10 милликельвин.  

Перпендикулярно этой нити авторы подводили излучение длиной волны 5,1 микрометр (58,6 терагерц), полученное с помощью генерации разностной частоты от двух промышленный полупроводниковых лазеров с длинами волн 1,18 и 1,54 микрометра соответственно. Тонкая настройка этой длины волны производилась в окрестности резонанса, соответствующего колебательно-вращательному переходу (ν=0, N=0)→(ν′=1, N′=1) основного электронного состояния ²Σ⁺_g, где ν and N обозначают вращательное и колебательное квантовые числа соответственно. Чтобы избежать сложностей, связанных со сверхтонкой структурой этих уровней, физики прикладывали небольшое магнитное поле, чтобы вызвать зеемановское расщепление компонент, и исследовали переходы только m_F=0→m′_F=0 переходы. 

Для того чтобы убедиться, что молекула поглотила посланный фотон, авторы исследовали процесс ее диссоциации, детектируя соответствующее излучение. Перестраивая с небольшим шагом частоту падающего излучения, физики считали число распавшихся молекул, получая, таким образом, резонансный профиль перехода, который имеет колоколообразную форму. Его вершина соответствует измеряемой частоте, а полуширина — погрешности ее измерения. 

В результате эксперимента была измерена частота каждой компоненты с точностью, достигающей 12 знака после запятой. Полученные значения авторы сравнили с теоретическими расчетами, которые опираются помимо прочего на величину такой константы, как отношение массы протона к массе электрона. Скрупулезный анализ всех погрешностей, как экспериментальных, так и теоретических, позволил определить эту константу с точностью до 11 знака после запятой. Полученное значение оказалось сопоставимо со значениями, полученными в других типах экспериментов. 

Авторы надеются, что продемонстрированная ими спектроскопическая техника применима и к другим типам молекулярных ионов, поскольку использованные в ней физические процессы достаточно универсальны, а также к атомным ионам, охлажденным более традиционным лазерным методом. Предполагается, что точное измерение масс позволит ответить на вопрос об их изменении со временем, что послужит проверкой эйнштейновского принципа эквивалентности. 

Страсть к точности у физиков не угасает и по сей день. Недавно мы сообщали о рекордно точном измерении размера альфа-частицы, а также о том, как аккуратное измерение частоты перехода в атомном водороде приблизило ученых к решению загадки радиуса протона.  

Марат Хамадеев