Немецкие и японские физики напрямую измерили магнитный момент иона ³He⁺. Новое измерение вместе с точными квантовоэлектродинамическими расчетами, позволило лучше понять устройство ядра гелия, в частности его неэкранированный магнитный момент и размер. Новые данные помогут превратить гелий-3 в абсолютный магнитометрический стандарт.

Исследование опубликовано в Nature.

Прогресс в квантовой физике можно условно разделить на экстенсивный и интенсивный. К первому можно отнести поиск квантовых и когерентных свойств у все более крупных и сложных объектов, ко второму — более детальное и точное исследование простых систем. Сюда можно отнести прецизионную физику атомов с легкими ядрами, содержащими небольшое количество протонов и электронов.

Действительно, чем меньше тел в задаче, тем точнее ее можно решить. С ростом точности теоретикам приходится принимать во внимание все большее количество эффектов, которые ранее были незаметны, а экспериментаторам — усовершенствовать свои установки, чтобы уменьшать или компенсировать новые неопределенности. Мерилом правильности становится согласие теории и эксперимента, однако прогресс в этом направлении часто обнажает нестыковки. Ярким примером этого можно считать загадку радиуса протона, которой мы посвятили материал «Щель в доспехах», отклонения в значении аномального магнитного момента мюона и многое другое.

К числу важнейших для физики легких атомов можно отнести ³He и его ион ³He⁺. Ядро этих атомов обладает рекордной чувствительностью к магнитному полю, поэтому физики предлагают использовать сигнал ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в гелии-3 в качестве стандарта магнитометрии. Уже сейчас ячейки с этим изотопом используются в эксперименте по сверхточному определению мюонного магнитного момента.

Проблема, однако, заключается в том, что ученым для этого надо точно знать значение собственного магнитного момента ядра гелия-3. Доступ к этой величине затрудняет эффект экранирования ядер электронными оболочками. Мы уже рассказывали, как теоретическая оценка этого эффекта потребовала учета квантовоэлектродинамических поправок. Измерение же магнитного момента гелия-3 методами ЯМР пока возможно только в сравнении с таковым для молекул воды или водорода, поэтому его экспериментальная относительная точность ограничена 12 миллиардными долями.

Антониа Шнайдер (Antonia Schneider) из Института ядерной физики Общества Макса Планка с коллегами из Германии и Японии сообщили о прямом измерении магнитного момента иона ³He⁺, а также измерении магнитного момента связанного электрона.