Фізики теоретично показали можливість дослідження властивостей квантового гало в дімері гелію по продуктах його іонізації, бомбардуючи молекулу релятивістськими зарядженими частинками. Вони з'ясували, що такий спосіб покриває 80 відсотків хвильової функції дімера, а також те, що при описі дисоціації не можна нехтувати релятивістськими ефектами. Дослідження опубліковано в.
Атом гелію володіє найбільшою енергією іонізації. Це означає, що він вкрай неохоче вступає в хімічний зв'язок з іншими атомами. Довгий час вчені не могли знайти прикладів таких молекул, поки в середині 90-х років не було експериментально доведено існування дімера гелію.
Дімер гелію - унікальна молекула. Вандерваальсівська взаємодія в ньому настільки слабка, що дімер володіє всього одним квантовим станом з енергією зв'язку близько 10-7 електронвольт. Середня довжина зв'язку між атомами в молекулі становить 52 ангстреми, а їх хвильова функція являє собою сферичний шар, що простягається на 200 ангстрем. За таку форму він отримав назву «квантове гало».
Такі незвичайні властивості дімера гелію цікаві фізикам з точки зору ефектів, які неможливо побачити в нормальних молекулах. Наприклад, нещодавно фізики експериментально спостерігали хвилеподібні обурення ядерної хвильової функції в результаті точкового впливу на дімер. Також вчені активно досліджують дисоціацію цієї молекули на два гелієвих іони при поглинанні одного і двох фотонів.
Беннасур Наджарі (Bennaceur Najjari) з Китайської академії наук разом з колегами з Німеччини вирішили розібратися, як відбувається розпад дімера гелію при бомбардуванні його зарядженими релятивістськими частинками. Вони теоретично показали, що подібний експеримент допоможе відновити інформацію про розподіл атомів гелію всередині квантового гало, а також виміряти їх енергію зв'язку.
Дисоціація дімера гелію в результаті зіткнення з релятивісткою часткою незмінно пов'язана з іонізацією обох атомів, проте відбуватися вона може чотирма різними шляхами. У першому випадку заряджена частинка практично миттєво іонізує обидва атоми, в результаті чого дімер розривається за рахунок кулонівського вибуху. Такий механізм фізики назвали прямою фрагментацією. Для нього характерно те, що кінетична енергія іонів назад пропорційна відстані між ними. Це дозволяє, вивчаючи енергетичний розподіл іонів в експерименті відновлювати структуру квантового гало.
Другий сценарій відбувається, коли частинка вибиває лише один електрон, який, своєю чергою, вибиває другий. Оскільки ці процеси відбуваються швидше, ніж рухаються ядра гелію, енергія, вивільнена в результаті кулонівського вибуху, також несе пряму інформацію про відстані. У третьому випадку один з атомів іонізується у високозолений стан. В результаті релаксації він передає надлишок енергії сусіду, що вивільняє другий електрон. Четвертий же механізм описується через подвійну іонізацію одного з атомів з подальшою міграцією до нього одного з електронів.
Третій і четвертий механізми не дають однозначного зв'язку кінетичній енергії продуктів розпаду з відстанню між атомами. Разом з тим, ця енергія для обох процесів має нижній поріг у 5-7 та 1 електронвольт, відповідно. Іншими словами, досліджуючи діапазон розсіяних частинок з енергією менше одного електронвольту, можна, спираючись на перші два механізми, відновити структуру дімера гелію для відстаней понад 14 ангстрем.
Фізики побудували теорію, яка описує пряму фрагментацію і одиночну іонізацію з подальшим вибиванням другого електрона через твір відповідних одноатомних амплітуд в рамках наближення симетричного ейконалу при бомбардуванні дімера гелію іонами урану. У розрахунках вони як враховували, так і нехтували релятивістськими ефектами.
В результаті автори побудували залежності перерізів розсіювання на атомах з різним поперечним станом для різних значень енергії на нуклон. Переріз показав високу чутливість до міжатомної відстані, а також до релятивістських ефектів. Останнє виявилося несподіваним, оскільки в схожих процесах іонізації окремих атомів гелію за допомогою релятивістських заряджених частинок, а особливо при подвійній іонізації, вплив релятивізму істотно слабший.
Фізики також з'ясували, що в разі вкладів від дуже великих відстаней між атомами величина енергії зв'язку починає впливати на результат розсіювання. Це дозволило їм оцінити верхню межу застосовності методу в 250 ангстрем. Таким чином, діапазон 14-250 ангстрем дозволяє покрити область простору, в якій дімір гелію проводить 80 відсотків усього часу. Автори також показали, що при дуже малих кінетичних енергіях продуктів розпаду обчислення виявляються чутливі до енергії зв'язку. У реальному експерименті цей факт допоможе її уточнити.
Дисоціації молекул - це потужний інструмент перевірки тонких фізичних ефектів. Раніше ми вже повідомляли, як намацали кордон квантового і класичного світу при розпаді молекул стронцію і як точні вимірювання енергії дисоціації молекули водню розійшлися з теорією