Forbedret modellering af nuklear struktur i francium hjælper med at søge efter ny fysik

Takket være forskere fra University of Queensland, vi kender nu med meget større sikkerhed franciumatomernes kernemagnetiske momenter.

Dr. Ben Roberts, en postdocstipendiat ved UQ's School of Mathematics and Physics, sagde, at det nukleare magnetiske moment er en grundlæggende egenskab ved atomer, og det er vigtigt at kende dens værdi præcist, når man tester fundamentale fysikteorier.

"Men fordi francium er radioaktivt, standardteknikkerne til bestemmelse af nukleare magnetiske momenter kan ikke let anvendes, " sagde Dr. Roberts.

"Ved at bruge nye metoder, vi var i stand til at beregne momenter med usikkerheder fire gange mindre end de tidligere bedste værdier.

"Tag francium-211, for eksempel:dets kernemagnetiske moment blev tidligere bestemt til at være i området 3,92 til 4,08 (i den naturlige enhed til at udtrykke disse momenter).

"Vores beregninger viser nu, at det er mellem 3,90 og 3,94."

Det virker måske ikke som en stor forskel, men Dr. Jacinda Ginges, en ARC Future Fellow ved UQ og Associate Investigator ved ARC Center of Excellence for Engineered Quantum Systems (EQUS), sagde, at når du taler om atomfysik, små forskelle kan have en enorm effekt, så det er en stor sag at indsnævre rækken af ​​mulige værdier.

"Vores nuværende forståelse af de fundamentale partikler, der udgør universet og deres interaktioner, er afhængig af standardmodellen for partikelfysik, men vi ved også, at denne model er ufuldstændig, der er nogle ting den ikke kan forklare, " sagde Dr. Ginges.

"Vi har brug for præcise værdier for kernemagnetiske momenter for at kunne teste gyldigheden af ​​vores atommodeller, som igen er virkelig vigtige for at teste standardmodellen for partikelfysik.

"Ved at kombinere præcisionseksperimenter i atomer med højpræcisions atomteori, vi får en kraftfuld måde at søge efter ny fysik på."

Forbedringen i præcision var resultatet af meget præcise beregninger af franciums hyperfine struktur - de små forskelle i atomenerginiveauer forårsaget af dets kernemagnetiske moment - og mere nøjagtige modeller af nukleare effekter.

"Tidligere bestemmelser antog, at kernen i et francium-atom var som en kugle med ensartet magnetisering, men i vores beregning antog vi en mere realistisk model, der tillod magnetiseringen at variere inden for kernen, " sagde Dr. Roberts.

"Effekten af ​​uensartet magnetisering (kendt som Bohr-Weisskopf-effekten) er især stor i francium, så ved nøjagtigt at tage dette i betragtning var vi i stand til at bestemme dets kernemagnetiske momenter meget mere præcist."

"Vores resultater kan nu bruges til at benchmarke atomteori, som vil hjælpe med at fortolke eksperimenter, der i øjeblikket er i gang på Canadas nationale atom- og partikelfysikfacilitet, TRIUMF, " sagde Dr. Ginges.

"De viser også, hvor vigtigt det er at modellere nukleare effekter nøjagtigt, og vil have konsekvenser for tidligere og fremtidige præcisionseksperimenter med tunge atomer."

Resultaterne offentliggøres i Fysisk gennemgangsbreve .