Водородоподобные композиты

Искусственный атом подтвердил справедливость квантовой механики. В конце прошлого года на ускорителе элементарных частиц Большой адронный коллайдер в Европейском центре ядерных исследований удалось получить и некоторое время удерживать атом, в котором электрон вращается вокруг своей античастицы – позитрона (электрона с положительным зарядом). После этого на повестку дня встало получение искусственного водорода, в ядре которого вместо тяжелого протона наличествует значительно более легкий мюон.

Эта частица, мюон, всего лишь в 10 раз легче протона и по своим свойствам сходна с электроном, поскольку также имеет отрицательный заряд, но в 207 раз тяжелее электрона и распадается за какие-то две микросекунды. Мюон можно даже ввести в атом гелия вместо второго электрона, но при этом возникнут две оболочки, так как мюон благодаря своей большей массе будет вращаться ближе к ядру, «заполненному» двумя протонами и двумя нейтронами. Эта нестандартная задача была успешно решена в ходе работ на ускорителе частиц высокой энергии ТRIUMF в Ванкувере.

Сообщение взволновало специалистов в области квантовой химии, изучающих квантовые механизмы протекания таких процессов, как образование и разрыв связей между электронами. Химия, как известно, отличается от физики тем, что изучает протекание реакций именно на электронном уровне. Вращение тяжелого мюона вблизи ядра приводит к тому, что «тяжелый» электрон как бы маскирует заряд одного из протонов. В результате тот же гелий начинает в химическом отношении вести себя подобно некоему аналогу одноэлектронного и однопротонного водорода. Ученые назвали подобное поведение водородоподобным композитом.

В ходе экспериментов они с помощью мюонного искусственного атома «заменили» один из водородов в его двухатомной молекуле. Расчеты показали, что скорость протекания реакции замещения на искусственный водород с мюоном вместо ядра полностью совпадает с той, что была получена согласно уравнениям квантовой теории. После этого экспериментаторы вздохнули с облегчением и стали говорить более уверенно о применении теоретических методов при расчетах поведения атомов в более сложных системах.

Дело в том, что квантовые расчеты ведутся по упрощенной схеме Борна–Оппенгеймера, предполагавших, что электрон «приспосабливает» свою траекторию вращения в ответ на любое движение ядра. В пределах ошибки это справедливо по отношению ко второй по массе элементарной частице, которая почти в 2000 раз легче протона. Но это было не столь очевидно, если имеешь дело с гораздо более массивным мюоном. Несмотря на то что масса последнего значительно больше, справедливость квантовых законов не поколеблена, они доказали свое значение при проведении расчетов.

Теперь ученые хотят перейти на более «продвинутый» уровень, предложив искусственному водороду заместить своего природного собрата, например, в молекуле метана СН4. Задача в данный момент представляет собой самый настоящий вызов – сhallenge, – поскольку нужно учитывать, что реакцию замещения необходимо проводить в условиях весьма ограниченного лимита времени, исчисляемого микросекундами. С другой стороны, вспомним, что микросекунда – это целая миллионная доля секунды, в то время как продолжительность импульсов современных лазеров исчисляется миллиардными миллионных долей секунды. Так что если их взять в качестве «метрономов», то времени жизни мюона должно хватить с лихвой.