Физики смешали катионы метилидина с электронами в криогенном накопительном кольце и изучили, как смешивание влияет на вращательную релаксацию молекулярных ионов. Результаты эксперимента позволили понять, какие из моделей точнее описывают происходящие при этом процессы. В свою очередь это поможет лучше понять, что происходит в скоплениях холодного газа вокруг галактик и в атмосферах планет.

Исследование опубликовано в Physical Review Letters, кратко о нем пишетhttps://physics.aps.org/articles/v15/s58 Physics.

Пытаясь построить первые модели, описывающие термодинамику газов, физики рассматривали атомы или молекулы в виде бесструктурных шариков, участвующих только в упругих соударениях. Это отлично работает, если температура газа была не слишком большой, когда кинетической энергии частиц недостаточно для существенного возбуждения внутренних степеней свободы, другими словами, когда неупругими соударениями можно пренебречь. В плазме же происходят процессы ионизации, которые не только забирают существенную часть кинетической энергии, но и добавляют в среду новый сорт частиц — электроны.

К наиболее сложным неупругим взаимодействиям физики относят столкновения электронов с молекулярными ионами в частично ионизованном молекулярном газе. Такие процессы встречаются в астрофизике, физике атмосферы и технологиях, основанных на низкотемпературной плазме. Причиной сложности стала богатая энергетическая структура молекул, включающая в себя вращательные, колебательные и электронные уровни. Это означает, что такие соударения остаются неупругими даже при довольно низких температурах. Сложность пока мешает ученым строить теорию электрон-ионных столкновений в молекулярных газах из первых принципов. Им приходится использовать существенные приближения, справедливость которых до сих пор не подтверждена из-за отсутствия достаточно детальных экспериментальных данных.

Это послужило мотивацией для Абеля Калоси (Ábel Kálosi) из Института ядерной физики Общества Макса Планка и его коллег из Германии и США для того, чтобы изучить неупругие столкновения электронов с катионом метилидина (CH⁺). Для этого они смешивали оба типа частиц в криогенном накопительном кольце и следили за тем, насколько быстро молекулы переходят из возбужденных в основные вращательные состояния.

Авторы использовали для эксперимента накопительное кольцо, расположенное в Институте ядерной физики Общества Макса Планка. Генератором катионов служил ионный источник Пеннинга, создававший пучки с энергией 280 килоэлектронвольт. Рождаемые катионы широко распределены по вращательным состояниям. Летя по кольцу, они испытывают естественную радиационную релаксацию.

Физики измеряли долю молекулярных ионов в том или ином вращательном состоянии, облучая их точно настраиваемым лазером с длиной волны около 300 нанометров. Под действием света катионы распадаются на ион углерода и атом водорода, если частота излучения соответствует некоторому резонансу, который, в свою очередь, тонко зависит от вращательного квантового числа. Измеряя количество атомов водорода для частот, соответствующих нескольким вращательным состояниям, ученые строили зависимости населенности уровней от времени.

Смешивание пучков электронов и ионов меняет динамику последних. В частности, этот принцип используется в электронном охлаждении пучков. Исследователей интересовали процессы, аналогичные тем, что происходят в низкотемпературной плазме, поэтому они настраивали пучки так, чтобы они двигались с одинаковыми пролдольными средними скоростями. В этом случае в системе центра масс температура определяется распределением поперечных компонент скоростей. В эксперименте физиков поперечная температура электронов было равной 26 кельвин.

Неупругие столкновения катионов и электронов при таких температурах могут происходить по двум каналам. В первом из них происходит изменение населенности молекулярных ионов преимущественно с уменьшением вращательного квантового числа, во втором — диссоциативная рекомбинация, то есть объединение катиона и электрона в нейтральную молекулу с ее последующим распадом. Второй процесс дает сигнал в виде детектируемых атомов водорода даже в отсутствии лазерного излучения.

Физики измеряли населенность различных вращательных уровней катионов, смешанных с электронами, с помощью того же метода резонансной фотодиссоциации. Эксперимент показал, что добавление электронов ускоряет процессы переходов с высоколежащих на низколежащие вращательные уровни. Полученные экспериментальные данные позволили ученым проверить работоспособность различных моделей. Так, они выяснили, что наилучшее совпадение с экспериментом дает метод R-матрицы, в то время как приближение Кулона — Борна ему уступает.

Зависимость относительных населенностей вращательных уровней катионов метилидина, смешанных с электронами, от времени. Сплошной толстой линией обозначены результаты эксперимента с несмешанными катионами. Остальные линии обозначают смоделированную эволюцию с учетом различных процессов, начиная с 28 секунд: короткий пунктир – учтена только излучательная релаксация, штрих-пунктир – дополнительно учтена диссоциативная рекомбинация, длинный пунктир – дополнительно учтены неупругие процессы в приближении Кулона — Борна, а сплошная тонкая линия – с помощью метода R-матрицы. / Ábel Kálosi et al. / Physical Review Letters, 2022