Кулоновская глория, поляризационные и P-нечетные эффекты в низкоэнергетических столкновениях электронов и антипротонов с тяжелыми ионами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

САНКТ - ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КУЛОНОВСКАЯ ГЛОРИЯ, ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ И Р-НЕЧЕТНЫЕ ЭФФЕКТЫ В НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СТОЛКНОВЕНИЯХ ЭЛЕКТРОНОВ И АНТИПРОТОНОВ С ТЯЖЕЛЫМИ ИОНАМИ

специальность 01.04.02 - теоретическая физика

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

МАЙОРОВА Анна Владимировна

3 НОЯ 2011

4858411

Санкт-Петербург 2011

4858411

Работа выполнена на кафедре квантовой механики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор физико-математических наук,

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор физико-математических наук,

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Санкт-Петербургский государственный

Пол итехни чески й унинерситет

совета Д 212.232.24 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: Санкт-Петербург, Средний ир. В. О., д. 41/43, ауд. 205.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета.

Автореферат разослан 2011 г.

профессор Шабаев Владимир Моисеевич

ведущий научный сотрудник Козлов Михаил Геннадьевич (ПИЯФ им.Б.П.Константинова)

доктор физико-математических наук, профессор Шейнерман Сергей Абрамович (СПбГМТУ)

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук Е. В. Аксенова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

На протяжении нескольких десятилетий тяжелые миогозарядиые ионы остаются уникальным инструментом фундаментальных и прикладных исследований и различных областях современной физики. В отличие от нейтральных атомов, многозарядные ионы являются относительно простыми системами с точки зрения расчетом эффектов межэлектропно-го взаимодействия. Так как миогозарядиые ионы содержат небольшое количество электронов, расчет межэлсктропиого взаимодействия может быть проведен с очень высокой точностью по теории возмущений по 1/2, где 2 - заряд ядра. Кроме этого, в многозарядпых ионах, по сравнению с нейтральными атомами, квантоиоэлектродинамические и релятивистские эффекты проявляются гораздо сильнее. Наконец, тяжелые ионы дают уникальную возможность для проверки квантовой электродинамики в области, где подходы, основанные на теории возмущений по параметру не могут быть применены из-за того, что параметр а! перестает быть малым.

Благодаря стремительному развитию экспериментальных методов исследования многозарядпых ионов постоянно расширяются границы возможностей наблюдения новых эффектов в таких системах, что обуславливает необходимость соответствующих теоретических предсказаний. Совместные экспериментальные и теоретические исследования таких эффектов играют важную роль в проверке фундаментальных теорий, таких, как квантовая электродинамика в области сильных нолей и теория электрослабого взаимодействия.

Настоящая диссертация посвящена исследованию эффекта кулопов-ской глории в низкоэпсргетичсских столкновениях антипротонов с мно-гозарядпыми ионами, изучению угловых и поляризационных корреляций в процессе двухфотопной радиационной рекомбинации и поиску Р-иечетпых эффектов в рекомбинации электронов с тяжелыми водоро-доподобными ионами. Цель работы

Основными целями диссертации являются:

1. Исследование эффекта кулоиовской глории при рассеянии антипротонов па тяжелых мпогозарядных ионах в рамках релятивистской квантовой теории.

2. Исследование корреляций между направлениями вылета и поляризациями фотонов, излучаемых в процессе двухфотонной рекомбинации свободных электронов с тяжелым голым ядром.

3. Исследование эффектов песохранения четности в процессах рекомбинации электронов с тяжелыми водородоподобными ионами.

Научная новизна работы

В диссертации получены следующие новые результаты:

1. Проведено исследование эффекта кулоиовской глории при рассеянии назад антипротонов с энергиями от 100 эВ до 3 кэВ на ионах урана {Ъ — 92) в рамках релятивистской квантовой теории. Исследовано влияние экранировки, создаваемой заполненными электронными оболочками, а также экранировки, возникающей из-за эффекта поляризации вакуума. Учтено влияние возможных неупругих процессов, таких как радиационная рекомбинация и аннигиляция антипротонов, а также учтен вклад аномального магнитного момента антипротона.

2. В рамках теории матрицы плотности исследован процесс радиационной рекомбинации свободного электрона в возбужденное состояние водородоподобного иона с последующим распадом в основное состояние. Получено общее выражение для дважды дифференциального сечения рассматриваемого процесса в резонансном приближении. Проведены вычисления сечения для случая линейной поляризации рентгеновских фотонов, излучаемых в процессе (0,27) двухфотонной рекомбинации свободных электронов с ядрами урана Ц92"1", в широком диапазоне энергий налетающего электрона.

3. Исследованы эффекты несохранения четности в процессе радиационной рекомбинации электрона с тяжел 1.1 м водородоподобпым ионом. Получены численные результаты для рекомбинации и 2'5о и 23Ри состояния гелиеподобных ионов тория и гадолиния, в которых данные уроини близки к вырождению.

4. Проведено исследование эффектов несохрапения четности в процессе резонансной рекомбинации поляризованного электрона с тяжелым водородоподобпым ионом в дважды возбужденное состояние гелиеподобного иона с: последующим распадом в 2'50 или 23Р0 состояние. Получены численные результаты для целого ряда дважды возбужденных состояний в случае ионов тория (г = 90) и гадолиния (2 = 64).

Научная и практическая ценность работы

1. Проведенные исследования эффекта кулоновекой глории при рассеянии антипротонов на тяжелых ядрах позволяют явно продемонстрировать экранировочпые свойства потенциала вакуумной поляризации.

2. Обнаружено, что в процессе двухфотонной радиационной рекомбинации существует сильная корреляция между направлениями вылета и поляризации рекомбинационных и характеристических фотонов.

3. Найдены условия, при которых возникают наиболее перспективные ситуации для экспериментального наблюдения эффекта несохрапения четности в радиационной рекомбинации электронов с тяжелыми многозарядными ионами.

4. Предложен сценарий возможного эксперимента по наблюдению эффекта несохрапения четности в резонансной рекомбинации электрона с водородоподобпым ионом с образованием дважды возбужденного состояния гелиеподобного иона и последующим распадом в одно из близких состояний противоположной четности.

Апробация работы и публикации

Работа представлялась па семинарах кафедры квантовой механики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета. Результаты также были представлены на международных конференциях во Фрайбурге (ICPEAC 2007: International Conference on Photonic, Electronic and Atornic Collisions), Саламанке (ECAMP 2010: European Conference 011 Atoms Molecules and Photons), Москве (SPARC 2011: Stored Particles Atomic Physics Research Collaboration), а также на всероссийском совещании в Санкт-Петербурге (Прецизионная физика и фундаментальные физические константы, 2010) и на семинаре, посвященном разработкам и исследованиям молодых российских специалистов, проводимых в рамках проекта FAIR (Молодежная Школа - Семинар «Вклад молодых ученых России в проект FAIR», Москва, 2011). Основные результаты работы опубликованы в соавторстве в пяти статьях и тезисах одного доклада на международной конференции SPARC 2011, приведенных в конце автореферата.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и содержит 102 страницы, 24 рисунка и 8 таблиц. Список литературы включает 111 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во введении к диссертации обоснована актуальность проведенных исследований, сформулированы цели и задачи работы, дано краткое содержание входящих в диссертацию глав.

Глава 1. Эффект кулоновской глории в столкновениях антипротонов с тяжелыми ионами

Первая глава диссертации посвящена изучению эффекта кулоновской глории при рассеянии назад пизкоэнергетических антипротонов тяжелыми ионами. Впервые данный тип особенностей дифференциального сечения был описан в работе |1|. Суть этого эффекта состоит в том, что

при рассеянии на углы, близкие к 180°, для некоторых определенных энергий налетающих частиц дифференциальное сечение имеет ярко выраженный максимум при условии, что взаимодействие с мишеныо определяется экранированным кулоновским потенциалом притяжения (следует отметить, что сечение Резерфорда при рассеянии назад имеет гладкий минимум, независимо от энергии налетающих частиц). В диссертации проведено исследование эффекта кулоповской глории в столкновениях антипротонов с многозарядными ионами с полностью заполненными оболочками и с голым ядром. В случае рассеяния па многозарядпых ионах возникновение кулоновской глории обусловлено экранировкой заряда ядра заполненными электронными оболочками. При рассеянии па голом ядре эффект кулоновской глории возникает за счет экранировоч-пых свойств потенциала вакуумной поляризации. Глава состоит из пяти разделов.

В разделе 1.1 дано описание эффекта кулоповской глории в рамках классической теории. В параграфе 1.2 определяется эффективный потенциал рассеяния антипротонов на тяжелом многозарядном ионе, который может быть представлен в виде суммы трех локальных потенциалов:

где Уп(г) - потенциал протяженного ядра, К5СГ('') - экранирующий потенциал, создаваемый атомными электронами, Уур(г) - потенциал поляризации вакуума.

В разделе 1.3 представлены основные формулы и способ вычисления дифференциального сечения рассеяния па потенциале, который имеет кулоповскую асимптотику на бесконечности, в рамках релятивистской квантовой теории. В этом случае дифференциальное сечение представляется а виде:

V(r) = Vn(r) + Vscr(r) + Vvp(i"),

(1)

где

1 00

А(в) = ф- + 1)[ехр(2«1+1/а.,) - 1]

Р 1=0

+/[ехр(2М,_1/2,,)-11}Д(со8б/), (3)

1 00

В(в) = - ^[ехр(М/+1/2,,) - ехр(2^,_1А/)1Р/(со80). (4)

2р£Г

Здесь р - импульс антипротона, Р;(соб0) - полиномы Лежандра, а Р/(соей) - присоединенные функции Лежандра. Фазовый сдвиг<5;-,(, соответствующий полному моменту ; и орбитальному моменту I, может быть представлен в виде суммы фазового сдвига создаваемого короткодействующей частью потенциала рассеяния, и кулоповского сдвига фаз

В разделе 1.4 описан способ вычисления фазовых сдвигов с помощью метода фазовых функций.

В параграфе 1.5 представлены результаты численных расчетов, которые были выполнены для случая рассеяния на уране (2 = 92). Чтобы полученные результаты при разных энергиях были сопоставимы, удобно ввести нормированное дифференциальное сечение рассеяния (НДСР), которое будет измеряться в единицах сечения Резерфорда при рассеянии назад \{г/4Е)2]:

В столкновениях с многозарядным ионом (не голым ядром) эффект возникает из-за экранировки ядра связанными электронами. На рисунке 1 представлены зависимости НДСР (6) от угла рассеяния антипротона в для случая столкновения с Ке-подобным ионом урана при различных энергиях налетающего антипротона. Как видно из данного рисунка, при любой из представленных энергий наблюдается явно выраженный максимум при рассеянии назад. Наиболее сильно эффект глории проявляется

5 40-

го-

60-

0

176

177

178 0. deg

179

180

Рис. 1: Нормированное дифференциальное сечение (б) для рассеяния антипротонов на Ne-подобном уране при различных энергиях. Кривая 1 - Е = 300 эВ, кривая 2 -Е = 600 эВ, кривая 3 - Е = 150 эВ, кривая 4 - Е = 900 эВ, кривая 5 - Е = 50 эВ, кривая 6 - нормированное сечение Резерфорда.

при энергии Е = 300 эВ, при этом нормированное дифференциальное сечение da'/dQ, = 90. При рассеянии на голом ядре за возникновение кулоновской глорни отвечают экранировочные свойства потенциала вакуумной поляризации. На рисунке 2 представлены зависимости НДСР от угла рассеяния при энергии антипротона Е = 600 эВ, которая отвечает максимальному эффекту кулоновской глории в случае рассеяния на голом ядре урана. В случае рассеяния на голом ядре важную роль играют также релятивистские эффекты, при рассеянии многозарядными ионами, имеющими электроны, их влияние является несущественным. Влияние неупругих процессов, таких как радиационная рекомбинация и аннигиляция антипротонов, также оказывается несущественным.

Глава 2. Поляризационные эффекты в двухфотонной радиационной рекомбинации электронов с тяжелыми многозарядными ионами

Вторая глава диссертации посвящена исследованию корреляций между направлениями вылета и поляризациями фотонов, излучаемых в процессе двухфотонной рекомбинации электронов с тяжелыми многозаряд-

1

е, с!ед

Рис. 2: Нормированное дифференциальное сечение (6) для релятивистского рассеяния на голом ядре. В качестве полного рассеивающего потенциала выбраны: 1 — потенциал с учетом конечных размеров ядра У„(г) и потенциал Юлинга Уц{г), 2 — полный потенциал У(г) = Уп(г) + Уи(г) + ^к(г). 3 - чисто кулоновский потенциал Ус(г), 4 - потенциал ядра конечных размеров К,(г). Кривая 5 изображает нерелятивистское сечение Резерфорда.

ными ионами. В начале главы представлена мотивация данного исследования, рассматриваются особенности задачи, делается обзор основных методов ее решения. В разделе 2.1 приведено описание геометрии, при которой будут исследоваться поляризационные и угловые корреляции излучаемых фотонов. Затем, в разделе 2.2.1 в рамках резонансного приближения [2] выведено общее выражение для дважды дифференциального сечения радиационной рекомбинации, которое зависит от углов вылета и поляризационных состояний обоих фотонов:

2

(2тг)4 2тг

ас =-—

Уг Га 1 *

,2, ,2

X] (п<> Зь (*ь}К ¿г {па ¿л \рт)

(7)

здесь, для краткости, введены обозначения Я, ее еоМ, ;1 для оператора взаимодействия электрона с электромагнитным полем.

В параграфе 2.2.2 вводятся параметры выстроенности возбужденного состояния иона. Раздел 2.2.3 посвящен вычислению амплитуд переходов из свободного состояния в связанное и из связанного в связанное. На основе общей формулы для дважды дифференциального сечения в разделе 2.2.4 проведен теоретический анализ для двух выбранных сценариев изучения корреляций фотонного излучеиия. В первом сценарии, который назван "угол-поляризация", рассматриваются корреляции фотонного излучения для случая, когда измеряется линейная поляризация характеристических (распадных) фотонов, в то время как рекомбинационные фотоны не поляризованы. Во втором сценарии, названном "поляризация-угол", изучается угловое распределение характеристического излучения, которое следует за излучением линейно поляризованных рекомбинаци-онных фотонов. Подробные численные расчеты выполнены для захвата электрона голым ядром урана Ц®2+ в возбужденное состояние 2р3/2 с последующим Ьутап-ах (2р3/2 Ь^г) распадом. Результаты проведенных расчетов, представленные в разделе 2.3, свидетельствуют о существовании сильной корреляции между направлениями вылета и поляризации рекомбинационного и характеристического фотонов.

Глава 3. Эффекты несохранения четности в процессах рекомбинации электронов с тяжелыми водородоподобными ионами

В третьей главе проведено исследование эффектов иесохраиения четности в процессах рекомбинации электронов в состояния 215'о и 23Ро ге-лиеподобных ионов с зарядами ~ 64 и £ ~ 90, для которых данные уровни противоположной четности близки к вырождению.

В начале третьей главы диссертации дан краткий обзор теоретических исследований эффекта пссохранеиия четности в многозарядных ионах, которые начались в работе (3| и получили новый импульс в последние годы [4—7] в связи с быстро возрастающими экспериментальными возможностями. Параграф 3.1 посвящен исследованию эффекта несохрансния четности в процессе радиационной рекомбинации свободного электрона с водородподобным ионом и содержит два подпараграфа. В подпарагра-фе 3.1.1 представлен вывод сечения рассматриваемого процесса с учетом слабого взаимодействия. В подпараграфе 3.1.2 представлены полученные численные результаты для случая тория (X — 90) и гадолиния (1 --- 64) для двух различных сценариев возможного эксперимента по исследованию эффектов несохранения четности. В первом сценарии налетающий электрон поляризован, водородоподобный ион не поляризован и поляризация фотонов не измеряется. Во втором сценарии в эксперименте регистрируются линейно поляризованные фотоны, в то время как ионы и электроны не поляризованы. Найдено, что наиболее перспективным был бы такой эксперимент, в котором регистрируются линейно поляризованные фотоны, тогда как ионы и электроны не поляризованы, при этом измеряется непосредственно разность числа событий для двух разных линейных поляризаций при различных азимутальных углах ф.

В разделе 3.2 исследуется эффект несохранения четности в процессе резонансной рекомбинации в дважды возбужденное состояние гелиепо-добного иона с последующим распадом в одно из близко расположенных состояний противоположной четности. Данный раздел также включает в себя два подпараграфа. В подпараграфе 3.2.1 представлены основные формулы и описана схема предполагаемого эксперимента по наблюде-

пию эффекта несохранения четности. Для того, чтобы усилить эффекты несохранения четности, следует рассмотреть резонансный захват в такое промежуточное дважды возбужденное состояние, которое затем распадается в конечное состояние через М1 переход, в то время как примешивание состояния с противоположной честностью за счет слабого взаимодействия приводит к Е1 переходу. В качестве самого простого примера можно выбрать промежуточное состояние (2з)/22р1/2)ъ которое распадается в состояние 23Р0 через одноэлектропный М1 переход, в то время как переход в примесное состояние является одноэлектронным Е1 переходом. Более значительное усиление эффектов несохрансния четности в диэлек-троной рекомбинации должно возникать в том случае, когда дважды возбужденное состояние распадается через двухэлектропный М1 переход, который, по сравнению с одноэлектронным М1 переходом, подавлен множителем 1/2, при этом переход в примесное состояние по-прежнему происходит через одноэлектропный Е1 переход. На рисунке 3 представлено схематическое изображение такого распада на примере промежуточного состояния (251/22рз/2)1, сплошной линией обозначен основной канал распада (двухэлектропный М1 переход) в рассматриваемое состояние |23Р0) пунктирная линия соответствует каналу, возникающему

за счет примесного состояния (одноэлектропный Е1 переход). В подпара-графе 3.2.2 приводятся результаты расчетов, которые были выполнены для целого ряда дважды возбужденных промежуточных состояний Неподобных ионов тория и гадолиния. Дается анализ полученных результатов и обсуждаются перспективы дальнейшего исследования подобных сценариев.

Заключение

В заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. Проведено исследование эффекта кулоновской глории при рассеянии низкоэнергстических антипротонов на тяжелых ионах. Найдено, что такой эффект возникает не только в результате экранирования заряда ядра атомными электронами, но и за счет экраиировочных

(2з1/22р3/2)1

М1х 1

X

(181/22р1/2)0 + 4(1з1/22з1/2)0

Рис. 3: Схема распада |(2з1/22р3/2)1) состояния и состояние |23Я0) +£]2150). Основным каналом распада является двухэлектронный М1 переход, подавленный множителем 1/2, тогда как канал, возникающий за счет эффекта несохранения четности, является одноэлектронным Е1 переходом.

свойств потенциала вакуумной поляризации.

2. Проведены расчеты двухфотонной радиационной рекомбинации электрона с тяжелым многозарядным ионом. Найдены сильные корреляции между направлениями вылета и поляризациями рекомби-пационпого и характеристического фотонов.

3. Проведены расчеты эффекта несохранения четности в процессах рекомбинации электронов и 2'50 и 23Ро состояния тяжелых Неподобных ионов. На основании проведенных расчетов предложены наиболее перспективные сценарии для соответствующих экспериментов.

Приложения

В диссертации имеется приложение, в котором описывается способ вычисления амплитуд релятивистского рассеяния на кулоновском потенциале.

Список литературы

[1] Ю. II. Демкон, В. Н. Островский и Д. А. Тельнов, ЖЭТФ 86, 442 (1984).

[2] V. М. Shabaev, Phys. Rep. 356, 119 (2002).

[3] В. Г. Горшков и JI. Н. Лабзовский, Письма в ЖЭТФ 19, 768 (1974).

[4] L. N. Labzowsky, А. V. Nefiodov, G. Plunien, G. Soff, R. Marrus and D. Liesen, Phys. Rev. A 63, 054105 (2001).

[5] G. F. Gribakin, F. J. Currel, M. G. Kozlov and A. I. Mikhailov, Phys. Rev. A 72, 032109 (2005); 80, 049901(E) (2009).

[6] V. M. Shabaev, A. V. Volotka, C. Kozhuliarov, G. Plunien and T. Stohlker, Phys. Rev. A 81. 052102 (2010).

[7] F. Ferro, A. Surzhykov, and T. Stohlker, Phys. Rev. A 83, 052518 (2011).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А. V. Maiorova, D. A. Telnov, V. М. Shabaev, 1.1. Tupitsyn, G. Plunien, Th. Stohlker, Backward scattering of low-energy antiprotons by highly charged and neutral uranium: Coulomb glory. // Physical Review A, 2007, vol. 76, p. 032709.

2. A. V. Maiorova, D. A. Telnov, V. M. Shabaev, G. Plunien and Th. Stohlker, Coulomb glory in low-energy antiproton scattering by a heavy nucleus: screening effect of vacuum polarization. // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 2008, vol. 41, p. 245203.

3. A. V. Maiorova, A. Surzhykov, S. Tashenov, V. M. Shabaev, S. Fritzsche, G. Plunien and Th. Stohlker, Polarization studies on the two-step

radiative recombination of highly charged, heavy ions. // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 2009, vol. 42, p. 125003.

A. V. Maiorova, 0. I. Pavlova, V. M. Shabaev, C. Kozhuharov, G. Plunien and Th. Stohlker, Parity nonconservation in the radiative recombination of electrons with heavy hydrogen-like ions. // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 2009, vol. 42, p. 205002.

A. V. Maiorova, D. A Telnov, V. M. Shabaev, V. A. Zaytsev, G. Plunien and Th. Stohlker, Coulomb glory effect in collisions of antiprotons with heavy nuclei: relativistic. theory. /'/ Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 2010, vol. 43, p. 205006.

A. V. Maiorova, V. M. Shabaev, A. V. Volotka, G. Plunien and Th. Stohlker, Parity nonconservation effect in dielectronic recombination with heavy hydrogenlike ions. // Book of abstract SPARC 2011, Moscow, p. 102.

Отпечатано копировально-множительным участком отдела обслуживания учебного процесса физического факультета СПбГУ. Приказ Ла 571/1 от 14.05.03. Подписано в печать 17.10.11 с оригинал-макета заказчика. Ф-т 30x42/4, Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз., Заказ Л41341. 198504, СПб, Ст. Петергоф, ул. Ульяновская, д. 3, тел. 929^3-00.

Введение

Единицы и обозначения

1 Эффект кулоновской глории в столкновениях антипротонов с тяжелыми ионами

1.1 Классическая теория

1.2 Рассеивающий потенциал.

1.3 Дифференциальное сечение рассеяния.

1.4 Вычисление фазовых свигов.

1.5 Результаты вычислений и их обсуждение.

2 Поляризационные эффекты в двухфотонной радиационной рекомбинации электронов с тяжелыми многозарядными ионами

2.1 Геометрия процесса двухфотонной радиационной рекомбинации

2.2 Теория

2.2.1 Резонансное приближение.

2.2.2 Параметры выстроенности возбужденного состояния иона

2.2.3 Расчет амплитуд переходов из свободного в связанное состояние и из связанного в связанное состояние

2.2.4 Изучение поляризационных корреляций.

2.3 Обсуждение результатов

3 Эффекты несохранения четности в процессах рекомбинации электронов с тяжелыми водородоподобными ионами

3.1 Радиационная рекомбинация.

3.1.1 Основные формулы.

3.1.2 Результаты расчетов и обсуждение.

3.2 Резонансная рекомбинация.

3.2.1 Основные формулы.

3.2.2 Результаты расчетов и обсуждение.

Актуальность работы

На протяжении нескольких десятилетий тяжелые многозарядные ионы остаются уникальным инструментом фундаментальных и прикладных исследований в различных областях современной физики. В отличии от нейтральных атомов, многозарядные ионы являются довольно простыми системами с точки зрения теоретических расчетов. Так как многозарядные ионы содержат небольшое количество электронов, расчет межэлектронного взаимодействия может быть проведен с очень высокой точностью. Кроме этого, в многозарядных ионах, по сравнению с нейтральными атомами, квантовоэлектродина-мические и релятивистские эффекты проявляются гораздо сильнее. Наконец, тяжелые ионы дают уникальную возможность для проверки квантовой электродинамики в области, где подходы, основанные на построении теории возмущений по параметру не могут быть применены из-за того, что параметр с^ перестает быть малым.

Благодаря стремительному развитию экспериментальных методов постоянно расширяются границы возможностей наблюдения новых эффектов, что обуславливает необходимость теоретических предсказаний. Совместные экспериментальные и теоретические исследования таких эффектов играют важную роль в проверке фундаментальных теорий. Например, теории электрослабого взаимодействия и квантовой электродинамики в области сильных полей.

Настоящая диссертация посвящена исследованию эффекта кулоновской глории в низкоэнергетических столкновениях антипротонов с многозарядными ионами, изучению угловых и поляризационных корреляций в процессе двухфотонной радиационной рекомбинации и поиску Р-нечетных эффектов в рекомбинации электронов с тяжелыми водородоподобными ионами. Цель работы

Основными целями диссертации являются:

1. Исследование эффекта кулоновской глории при рассеянии антипротонов на тяжелых многозарядных ионах в рамках релятивистской квантовой теории.

2. Исследование корреляций между направлениями вылета и поляризациями фотонов, излучаемых в процессе двухфотонной рекомбинации свободных электронов с тяжелым голым ядром.

3. Исследование эффектов несохранения четности в процессах рекомбинации электронов с тяжелыми водородоподобными ионами.

Научная новизна работы

В диссертации получены следующие новые результаты:

1. Проведено исследование эффекта кулоновской глории при рассеянии назад антипротонов с энергиями от 100 эВ до 3 кэВ на ионах урана {X = 92) в рамках релятивистской квантовой теории. Исследовано влияние экранировки, создаваемой заполненными электронными оболочками, а также экранировки, возникающей из-за эффекта поляризации вакуума. Учтено влияние возможных неупругих процессов, таких как радиационная рекомбинация и аннигиляция антипротонов, а также учтен вклад аномального магнитного момента антипротона.

-62. В рамках теории матрицы плотности исследован процесс радиационной рекомбинации свободного электрона в возбужденное состояние водоро-доподобного иона с последующим распадом в основное состояние. Получено общее выражение для дважды дифференциального сечения рассматриваемого процесса в резонансном приближении. Проведены вычисления сечения для случая линейной поляризации рентгеновских фотонов, излучаемых в процессе (е,27) двухфотонной рекомбинации свободных электронов с ядрами урана и92+, в широком диапазоне энергий налетающего электрона.

3. Исследованы эффекты несохранения четности в процессе радиационной рекомбинации электрона с тяжелым водородоподобным ионом. Получены численные результаты для рекомбинации в 215о и 23Р0 состояния ге-лиеподобных ионов тория и гадолиния, в которых данные уровни близки к вырождению.

4. Проведено исследование эффектов несохранения четности в процессе резонансной рекомбинации поляризованного электрона с тяжелым водородоподобным ионом в дважды возбужденное состояние гелиеподобного иона с последующим распадом в 215о или 23Ро состояние. Получены численные результаты для целого ряда дважды возбужденных состояний в случае ионов тория {7, = 90) и гадолиния {Х = 64).

Научная и практическая ценность работы

1. Проведенные исследования эффекта кулоновской глории при рассеянии антипротонов на тяжелых ядрах позволяют явно продемонстрировать экранировочные свойства потенциала вакуумной поляризации.

2. Обнаружено, что в процессе двухфотонной радиационной рекомбинации существует сильная корреляция между направлениями вылета и поляризации рекомбинационных и характеристических фотонов.

3. Найдены условия, при которых возникают наиболее перспективные ситуации для экспериментального наблюдения эффекта несохранения четности в радиационной рекомбинации электронов с тяжелыми многозарядными ионами.

4. Предложен сценарий возможного эксперимента по наблюдению эффекта несохранения четности в резонансной рекомбинации электрона с водо-родоподобным ионом с образованием дважды возбужденного состояния гелиеподобного иона и последующим распадом в одно из близких состояний противоположной четности.

Апробация работы

Работа представлялась на семинарах кафедры квантовой механики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета. Результаты также были представлены на международных конференциях во Фрайбурге (ICPEAC 2007. International Conference on Pnoionic, Electronic and Atomic Collisions), Саламанке (ECAMP 2010: European Conference on Atoms Molecules and Photons), Москве (SPARC 2011: Stored Particles Atomic Physics Research Collaboration), а также на всероссийском совещании в Санкт-Петербурге (Прецизионная физика и фундаментальные физические константы, 2010) и на семинаре, посвященном разработкам и исследованиям молодых российских специалистов, проводимых в рамках проекта FAIR (Молодежная Школа - Семинар «Вклад молодых ученых России в проект FAIR», Москва, 2011). Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А. V. Maiorova, D. A. Telnov, V. М. Shabaev, I. I. Tupitsyn, G. Plunien,

Th. Stohlker, Backward scattering of low-energy antiprotons by highly charged and neutral uranium: Coulomb glory. II Physical Review A, 2007, vol. 76, p. 032709.

2. A. V. Maiorova, D. A. Telnov, V. M. Shabaev, G. Plunien and Th. Stohlker, Coulomb glory in low-energy antiproton scattering by a heavy nucleus: screening effect of vacuum polarization. II Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 2008, vol. 41, p. 245203.

3. A. V. Maiorova, A. Surzhykov, S. Tashenov, V. M. Shabaev, S. Fritzsche, G. Plunien and Th. Stohlker, Polarization studies on the two-step radiative recombination of highly charged, heavy ions. II Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 2009, vol. 42, p. 125003.

4. A. V. Maiorova, О. I. Pavlova, V. M. Shabaev, C. Kozhuharov, G. Plunien and Th. Stohlker, Parity nonconservation in the radiative recombination of electrons with heavy hydrogen-like ions. II Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 2009, vol. 42, p. 205002.

5. A. V. Maiorova, D. A Telnov, V. M. Shabaev, V. A. Zaytsev, G. Plunien and Th. Stohlker, Coulomb glory effect in collisions of antiprotons with heavy nuclei: relativistic theory. 11 Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 2010, vol. 43, p. 205006.

6. A. V. Maiorova, V. M. Shabaev, A. V. Volotka, G. Plunien and Th. Stohlker, Parity nonconservation effect in dielectronic recombination with heavy hydrogenlike ions. II Book of abstract SPARC 2011, Moscow, p. 102.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и содержит 102 страницы, 24 рисунка и 8 таблиц. Список литературы включает

Заключение

Основные положения, выносимые на защиту

1. Проведено исследование эффекта кулоновской глории при рассеянии низкоэнергетических антипротонов на тяжелых ионах. Найдено, что такой эффект возникает не только в результате экранирования заряда ядра атомными электронами, но и за счет экранировочных свойств потенциала вакуумной поляризации.

2. Проведены расчеты двухфотонной радиационной рекомбинации электрона с тяжелым многозарядным ионом. Найдены сильные корреляции между направлениями вылета и поляризациями рекомбинационного и характеристического фотонов.

3. Проведены расчеты эффекта несохранения четности в процессах рекомбинации электронов в 2150 и 23Р0 состояния тяжелых Не-подобных ионов. На основании проведенных расчетов предложены наиболее перспективные сценарии для соответствующих экспериментов.

Автор выражает огромную благодарность своему научному руководителю В. М. Шабаеву за постановку задач и многочисленные обсуждения. Хочется поблагодарить Д. А. Тельнова, без помощи которого представленные исследования также не могли быть проведены.

Автор благодарит И. И. Тупицына и Д. А. Глазова за оказанную помощь и обсуждение результатов данной работы.

1. Ю. Н. Демков, В. Н. Островский и Д. А. Тельнов, ЖЭТФ 86, 442 (1984).

2. Y. N. Demkov and V. N. Ostrovsky, J. Phys. В 34, L595 (2001).

3. P. Ньютон, Теория рассеяния волн и частиц (Мир, Москва, 1969).

4. JI. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц, Механика (Наука, Москва, 1988).

5. G. Fricke, С. Bernhardt, К. Heilig, L. A. Schaller, L. Schellenberg, Е. В. Shera, and С. W. Dejager, At. Data Nucl. Data Tables 60, 177 (1995).

6. V. M. Shabaev, Phys. Rep. 356, 119 (2002).

7. J. P. Perdew and A. Zunger, Phys. Rev. В 23, 5048 (1981).

8. I. I. Tupitsyn, V. M. Shabaev, J. R. C. López-Urrutia, I. Draganic, R. S. Orts, and J. Ullrich, Phys. Rev. A 68, 022511 (2003).

9. I. I. Tupitsyn, A. V. Volotka, D. A. Glazov, V. M. Shabaev, G. Plunien, J. R. Crespo López-Urrutia, A. Lapierre, and J. Ullrich, Phys. Rev. A 72, 062503 (2005).

10. P. J. Mohr, G. Plunien, and G. Soff, Phys. Rep. 293, 227 (1998).

11. E. H. Wichmann and N. M. Kroll, Phys. Rev. 101, 843 (1956).

12. M. Gyulassy, Nucl. Phys. 244, 497 (1975).

13. G. A. Rinker and L. Wilets, Phys. Rev. A 12, 748 (1975).

14. G. Soff and P. J. Mohr, Phys. Rev. A 38, 5066 (1988).

15. H. JI. Манаков и А. А. Некипелов и А. Г. Файнштейн, ЖЭТФ 95, 1167 (1989).

16. А. N. Artemyev, V. М. Shabaev, V. A. Yerokhin, G. Plunien, and G. Soff, Phys. Rev. A 71, 062104 (2005).

17. А. И. Милыитейн и И. С. Терехов, ЖЭТФ 125, 785 (2004).

18. В. Б. Берестецкий и Е. М. Лифшиц и Л. П. Питаевский, Квантовая электродинамика (Физматлит, Москва, 2002).

19. N. F. Mott, Proc. Roy. Soc. (London) 135, 429 (1932).

20. J. A. Dogget and L. V. Spencer, Phys. Rev. 103, 1597 (1956).

21. N. Sherman, Phys. Rev. 103, 1601 (1956).

22. R. L. Gluckstern and S.-R. Lin, J. Math. Phys. 5, 1594 (1964).

23. E. Borie, Phys. Rev. A 28, 2 (1983).

24. A. Veitia and K. Pachucki, Phys. Rev. A 69, 042501 (2004).

25. F. Calogero, Variable phase approach to potential scattering (Academic Press, New York, 1967).

26. В. В. Бабиков, Метод фазовых функций в квантовой механике (Наука, Москва, 1968).

27. Д. П. Гречухин и А. В. Ломоносов, Письма в ЖЭТФ 60, 770 (1994).

28. А. И. Милынтейн, личное сообщение (2008).

29. С. J. Batty, Е. Friedman, and A. Gal, Phys. Rep. 287, 385 (1997).

30. A. Gal, Е. Friedman, and С. J. Batty, Phys. Lett. В 491, 219 (2000).

31. A. V. Maiorova, D. A. Telnov, V. M. Shabaev, G. Plunien, and T. Stöhlker, J. Phys. В 41, 245203 (2008).

32. Г. Ф. Друкарев и Н. Б. Березина, ЖЭТФ 69, 829 (1975).

33. D. М. Fradkin, Т. A. Weber, and С. L. Hammer, Ann. Phys. 27, 338 (1964).

34. Т. Stöhlker, H. Geissei, H. Irnich, Т. Kandier, С. Kozhuharov, P. H. Mokier, G. Münzenberg, F. Nickel, С. Scheidenberger, Т. Suzuki, et al., Phys. Rev. Lett. 73, 3520 (1994).

35. T. Stöhlker, С. Kozhuharov, P. H. Mokier, A. Warczak, F. Bosch, H. Geissei, R. Moshammer, C. Scheidenberger, J. Eichler, A. Ichihara, et al., Phys. Rev. A 51, 2098 (1995).

36. T. Stöhlker, F. Bosch, A. Gallus, С. Kozhuharov, G. Menzel, P. H. Mokier, H. T. Prinz, J. Eichler, A. Ichihara, T. Shirai, et al., Phys. Rev. Lett. 79, 3270 (1997).

37. T. Stöhlker, Т. Ludziejewski, F. Bosch, R. W. Dunford, C. Kozhuharov, P. H. Mokier, H. F. Beyer, O. Brinzanescu, B. Franzke, J. Eichler, et al., Phys. Rev. Lett. 82, 3232 (1999).

38. J. Eichler and W. Meyerhof, Relativistic Atomic Collisions (CA: Academic, San Diego, 1995).

39. V. M. Shabaev, V. A. Yerokhin, T. Beier, and J. Eichler, Phys. Rev. A 61, 052112 (2000).

40. A. Surzhykov, S. Fritzsche, and T. Stöhlker, Phys. Lett. A 289, 213 (2001).

41. J. Eichler and A. Ichihara, Phys. Rev. A 65, 052716 (2002).

42. A. E. Klasnikov, A. N. Artemyev, T. Beier, J. Eichler, V. M. Shabaev, and V. A. Yerokhin, Phys. Rev. A 66, 042711 (2002).

43. A. E. Klasnikov, V. M. Shabaev, A. N. Artemyev, A. V. Kovtun, and T. Stohlker, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 235, 284 (2005).

44. S. Fritzsche, P. Indelicato, and T. Stohlker, J. Phys. B B38, S707 (2005).

45. J. Eichler and T. Stohlker, Phys. Rep. 439, 1 (2007).

46. J. Eichler, A. Ichihara, and T. Shirai, Phys. Rev. A 58, 2128 (1998).

47. A. Surzhykov, S. Fritzsche, A. Gumberidze, and T. Stohlker, Phys. Rev. Lett. 88, 153001 (2002).

48. A. Surzhykov, S. Fritzsche, and T. Stohlker, J. Phys. B 35, 3713 (2002).

49. A. Surzhykov, S. Fritzsche, and T. Stohlker, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 205, 391 (2003).

50. L. N. Labzowsky, A. V. Nefiodov, G. Plunien, G. Soff, R. Marrus, and D. Liesen, Phys. Rev. A 63, 054105 (2001).

51. T. Stohlker, D. Banas, H. F. Beyer, A. Gumberidze, C. Kozhuharov, E. Kanter, T. Krings, W. Lewoczko, X. Ma, D. Protic, et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 205, 210 (2003).

52. S. Tashenov, T. Stohlker, D. Banas, K. Beckert, P. Beller, H. F. Beyer, F. Bosch, S. Fritzsche, A. Gumberidze, S. Hagmann, et al., Phys. Rev. Lett. 97, 223202 (2006).

53. K. Blum, Density Matrix Theory and Application (Plenum, New York, 1981).

54. V. V. Balashov, A. N. Grum-Grzhimailo, and N. M. Kabachnik, Polarization and Correlation Phenomena in Atomic Collisions (Kluwer Academic, New York, 2000).

55. M. E. Rose, Elementary Theory of Angular Momentum (Wiley, New York, 1957).

56. I. Grant, J. Phys. B 7, 1458 (1974).

57. A. Surzhykov, P. Koval, and S. Fritzsche, Comput. Phys. Commun. 165, 139 (2005).

58. A. V. Maiorova, A. Surzhykov, S. Tashenov, V. M. Shabaev, S. Fritzsche, G. Plunien, and T. Stohlker, J. Phys. B 42, 125003 (2009).

59. F. Salvat, J. M. Fernández-Varea, and W. Williamson-Jr., Comput. Phys. Commun. 90, 151 (1995).

60. D. A. Knapp, R. E. Marrs, S. R. Elliott, E. W. Magee, and R. Zasadzinski, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 334, 305 (1993).

61. R. E. Marrs, S. R. Elliott, and D. A. Knapp, Phys. Rev. Lett. 72, 4082 (1994).

62. R. E. Marrs, P. Beiersdorfer, and D. Schneider, Phys. Today 47, 27 (1994).

63. P. Beiersdorfer, B. Beck, J. A. Becker, J. K. Lepson, and K. J. Reed, AIP Conf. Proc. 652, 131 (2003).

64. I. B. Khriplovich, Parity Nonconservation in Atomic Phenomena (Gordon and Breach, London, 1991).

65. I. B. Khriplovich, Phys. Ser. T 112, 52 (2004).

66. J. S. M. Ginges and V. V. Flambaum, Phys. Rep. 397, 63 (2004).

67. C. S. Wood, S. C. Bennett, D. Cho, B. P. Masterson, J. L. Roberts, C. E. Tanner, and C. E. Wieman, Science 275, 1759 (1997).

68. S. C. Bennett and C. E. Wieman, Phys. Rev. Lett. 82, 2484 (1999).

69. S. C. Bennett and C. E. Wieman, Phys. Rev. Lett. 83, 889 (1999).

70. A. Derevianko, Phys. Rev. Lett. 85, 1618 (2000).

71. A. Derevianko, Phys. Rev. A 65, 012106 (2001).

72. M. G. Kozlov, S. G. Porsev, and I. I. Tupitsyn, Phys. Rev. Lett. 86, 3260 (2001).

73. O. P. Sushkov, Phys. Rev. A 63, 042504 (2001).

74. W. R. Johnson, I. Bednyakov, and G. Soff, Phys. Rev. Lett. 87, 233001 (2001).

75. V. A. Dzuba, V. V. Flambaum, and J. S. M. Ginges, Phys. Rev. D 66, 076013 (2002).

76. M. Y. Kuchiev, J. Phys. B 35, L503 (2002).

77. M. Y. Kuchiev and V. V. Flambaum, Phys. Rev. Lett. 89, 283002 (2002).

78. M. Y. Kuchiev, J. Phys. B 36, R191 (2003).

79. V. V. Flambaum and J. S. M. Ginges, Phys. Rev. A 72, 052115 (2005).

80. A. I. Milstein, O. P. Sushkov, and I. S. Terekhov, Phys. Rev. Lett. 89, 283003 (2002).

81. A. I. Milstein, O. P. Sushkov, and I. S. Terekhov, Phys. Rev. A 67, 062103 (2003).

82. J. Sapirstein, К. Pachucki, A. Veitia, and К. T. Cheng, Phys. Rev. А 67, 052110 (2003).

83. V. M. Shabaev, K. Pachucki, I. I. Tupitsyn, and V. A. Yerokhin, Phys. Rev. Lett. 94, 213002 (2005).

84. V. M. Shabaev, I. I. Tupitsyn, K. Pachucki, G. Plunien, and V. A. Yerokhin, Phys. Rev. А 72, 062105 (2005).

85. S. G. Porsev, K. Beloy, and A. Derevianko, Phys. Rev. Lett. 102, 181601 (2009).

86. В. Г. Горшков и Л. H. Лабзовский, Письма в ЖЭТФ 19, 768 (1974).

87. В. Г. Горшков и Л. Н. Лабзовский, ЖЭТФ 69, 1141 (1975).

88. G. von Oppen, Z. Phys. D 21, 181 (1991).

89. A. Schäfer, G. Soff, P. Indelicato, B. Müller, and W. Greiner, Phys. Rev. А 40, 7362 (1989).

90. V. V. Karasiev, L. N. Labzowsky, and А. V. Nefiodov, Phys. Lett. А 172, 62 (1992).

91. R. W. Dunford, Phys. Rev. А 54, 3820 (1996).

92. M. Zolotarev and D. Budker, Phys. Rev. Lett. 78, 4717 (1997).

93. M. S. Pindzola, Phys. Rev. А 47, 4856 (1993).

94. G. F. Gribakin, F. J. Currel, M. G. Kozlov, and А. I. Mikhailov, Phys. Rev. А 72, 032109 (2005), 80, 049901(E) (2009).

95. V. M. Shabaev, А. V. Volotka, C. Kozhuharov, G. Plunien, and T. Stöhlker, Phys. Rev. А 81, 052102 (2010).

96. F. Ferro, A. Surzhykov, and T. Stöhlker, Phys. Rev. A 83, 052518 (2011).

97. V. A. Yerokhin, V. M. Shabaev, T. Beier, and J. Eichler, Phys. Rev. A 62, 042712 (2000).

98. A. Surzhykov, U. D. Jentschura, T. Stöhlker, and S. Fritzsche, Eur. Phys. J. D 46, 27 (2008).

99. A. N. Artemyev, V. M. Shabaev, V. A. Yerokhin, G. Plunien, and G. Soff, Phys. Rev. A 71, 062104 (2005).

100. Y. S. Kozhedub and V. M. Shabaev, unpublished (2005).

101. Y. S. Kozhedub, O. V. Andreev, V. M. Shabaev, I. I. Tupitsyn, C. Brandau, C. Kozhuharov, G. Plunien, and T. Stöhlker, Phys. Rev. A 77, 032501 (2008).

102. V. A. Yerokhin, P. Indelicato, and V. M. Shabaev, Phys. Rev. Lett. 97, 253004 (2006).

103. C. Brandau, C. Kozhuharov, Z. Harman, A. Müller, S. Schippers, Y. S. Kozhedub, D. Bernhardt, S. Böhm, J. Jacobi, E. W. Schmidt, et al., Phys. Rev. Lett. 100, 073201 (2008).

104. A. V. Maiorova, O. I. Pavlova, V. M. Shabaev, C. Kozhuharov, G. Plunien, and T. Stöhlker, J. Phys. B 42, 205002 (2009).

105. V. V. Karasiov, L. N. Labzowsky, A. V. Nefiodov, and V. M. Shabaev, Phys. Lett. A 161, 453 (1992).

106. V. M. Shabaev, Phys. Rev. A 50, 4521 (1994).

107. V. M. S. P. Indelicato and A. V. Volotka, Phys. Rev. A 69, 062506 (2004).

108. O. Y. Andreev, L. N. Labzowsky, G. Plunien, and D. A. Solovyev, Phys. Rep. 455, 135 (2008).

109. V. M. Shabaev, I. I. Tupitsyn, V. A. Yerokhin, G. Plunien, and G. Soff, Phys. Rev. Lett 93, 130405 (2004).

110. J. Sapirstein and W. R. Johnson, J. Phys. В 29, 5213 (1996).

111. E. Янке и Ф. Эмде и Ф. Леш, Специальные функции. Формулы, графики, таблицы (Наука, Москва, 1964).