科研人員在多電子體系高階QED效應研究中獲進展
近期，中國科學技術大學、中國科學院近代物理研究所、德國吉森大學等多家單位的科研人員在蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)HIRFL-CSRm上開展了類氟鎳離子（58Ni19+）的雙電子復合實驗，在多電子體系中高階QED效應研究方面獲進展。
量子電動力學（Quantum Electrodynamics，QED）是描述光與物質相互作用的理論，也是第一個把量子力學與狹義相對論完美結合起來的理論。由于該理論極其精確地預言了電子的反常磁矩和氫原子能級的蘭姆位移(Lamb shift) 等物理量，費曼把它稱為物理學中的“瑰寶”。對QED理論的嚴格檢驗有助于確定基本物理常數(shù)、探究原子核相關性質以及探索超越標準模型的新物理，因此科學家利用各種精密測量體系和方法對QED理論的檢驗從未間斷。基于重離子冷卻儲存環(huán)的雙電子復合精密譜學實驗是目前測量高電荷態(tài)離子能級精度最高的實驗方法之一。
雙電子復合實驗，（Dielectronic Recombination, DR）的具體反應過程表示為：
DR是兩步共振過程，物理圖像如圖1所示， (a)→(b)為共振俘獲過程: 一個自由電子被俘獲到離子Aq+的束縛態(tài)，在滿足能量匹配條件時，同時共振激發(fā)離子Aq+的一個內殼層電子，形成中間雙激發(fā)態(tài)[A(q-1)+]**，可以看作俄歇過程的逆過程； (b)→(c)為輻射穩(wěn)定過程：處于中間雙激發(fā)態(tài)的[A(q-1)+]**離子放出至少一個光子，退激到電離閾值以下，即穩(wěn)定態(tài)。(d) 圖是實驗測量的典型DR譜和高電荷態(tài)離子內部能級結構的對應關系示意圖。如圖1所示，DR實驗中，Eres為電子-離子質心系相對能量，Eexc為內殼層電子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的激發(fā)能, Ebind為被俘獲電子的電離能，α為速率系數(shù)，DR過程滿足的能量共振關系為：Eexc = Ebind + Eres。由于雙電子復合是一個共振過程，共振峰結構中包含了離子能級結構信息，精密的雙電子復合速率系數(shù)譜可以解析出靶離子激發(fā)態(tài)能級結構，可開展如QED效應檢驗、同位素移動測量、超精細誘導躍遷壽命測量等一系列前沿研究。
圖1. 雙電子復合DR過程示意圖，(a)→(b)對應共振俘獲過程，(b)→(c)對應輻射穩(wěn)定過程。(d)是實驗測量的典型DR譜和離子內部原子結構的對應關系示意圖。
研究人員獲得了0-160 eV范圍內包含所有內殼層躍遷的雙電子復合通道。通過對比實驗結果與理論計算結果，科研人員解析出每個共振結構的來源，并鑒別出電離閾以上86 meV處的第一個共振峰對應的中間態(tài)為2s2p6[2S1/2]6s，該共振位置的測量精度可以達到4 meV，如圖2（左圖）所示。
俄羅斯圣光機大學、俄羅斯圣彼得堡大學、復旦大學、西北師范大學、河北大學等單位的科研人員計算了2s2p6[2S1/2]6s態(tài)中6s電子束縛能，結合實驗測量的共振能量，精確給出2s22p5[2P3/2]→2s2p6[2S1/2]的躍遷能量分別為149.056 ± 0.004exp ± 0.020 theo eV和149.032 ± 0.004exp ± 0.006 theo eV。本次實驗精度達到meV量級，比目前美國國家標準局NIST給出的實驗評估推薦值的精度提高了幾十倍。此外，科研人員還利用第一性原理計算得到了該躍遷能量電子關聯(lián)、QED和核反沖效應的貢獻。
實驗與理論的對比表明，本次雙電子復合精密測量實驗結果檢驗了多電子體系高電荷態(tài)離子的二階QED效應和電子關聯(lián)效應，并達到了檢驗三階QED效應的精度。該研究為在未來強流重離子加速器裝置HIAF上開展高電荷態(tài)離子雙電子復合精密測量及原子物理和核物理交叉前沿研究奠定了基礎。
圖2. （左圖）類氟Ni19+離子的雙電子復合譜，黑色點線是實驗結果，紅色實線是理論計算結果，86 meV位置的第一個共振峰是2s2p6[2S1/2]6s。（右圖）本次實驗結果與其他實驗結果與理論計算結果的對比。
該工作得到科技部重點研發(fā)計劃（2017YFA0402300）、國家自然科學基金項目、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項B、中科院重點前沿項目和中科院青年創(chuàng)新促進會的支持。文章發(fā)表在Physical Review A上。
文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevA.106.042808
（原子分子結構與動力學室 供稿）
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甘公網安備 62010202000713號
