Nasi naukowcy w czasopiśmie Nature

Współautorami publikacji “Testing quantum electrodynamics in extreme fields using helium-like uranium” są dr hab. Dariusz Banaś, prof. UJK, dziekan Wydziału Nauk Ścisłych i Przyrodniczych, dr Paweł Jagodziński i mgr Karol Szary z Instytutu Fizyki UJK.

- Dla każdego naukowca publikacja w takim periodyku jest wyróżnieniem, ale przede wszystkim docenieniem długiego okresu pracy. Od 2003 roku systematycznie dążymy do uzyskania jak najlepszego wyniku pomiaru przewidywań elektrodynamiki kwantowej – mówi prof. Dariusz Banaś.

Publikację poprzedził wyjazd do Centrum Badań Ciężkich Jonów GSI Helmholtz w Darmstadt, gdzie prof. Dariusz Banaś spędził półtora roku na stażu podoktorskim. Potem w Kielcach, we współpracy z GSI, powstał spektrometr, dla którego dr Paweł Jagodziński opracował oprogramowanie i stworzył symulację pozwalającą optymalizować pomiar. - Ostateczny pomiar z wykorzystaniem spektromertu zbudowanego w GSI został wykonany w czasie pandemii, w 2020 roku. Potrzeba było trochę czasu na opracowanie jego wyników i rezultatem jest publikacja w 2024 roku. Pomiar okazał się najbardziej precyzyjnym testem elektrodynamiki kwantowej. Tym samym okazało się, że teoria sprawdza się w ekstremalnych warunkach - mówi prof. Dariusz Banaś.

Teoria elektrodynamiki kwantowej, czyli QED opisuje oddziaływania elektrycznie naładowanych cząstek i światła. Teoria QED ma duże znaczenie w fizyce, ponieważ jest integralną częścią standardowego modelu fizyki cząstek elementarnych, teorii cząstek elementarnych i ich interakcji. Kluczowe jest zatem przetestowanie jej we wszystkich możliwych scenariuszach. Takie testy są bardzo ważne dla poszukiwań fizyki poza modelem standardowym.

Jak pokazano w niezwykle precyzyjnych eksperymentach, teoria QED poprawnie przewiduje właściwości prostych atomów, takich jak wodór czy hel. Jednak dotychczas jest słabiej przetestowana w intensywnych polach elektromagnetycznych, takich jak te, które istnieją wokół dużych jąder atomowych.

Aby zbadać obliczenia QED, dr Robert Lötzsch z Uniwersytetu Friedricha Schillera w Jenie w Niemczech i współpracownicy wykorzystali uran, mający aż 92 protony w jądrze, który został pozbawiony wszystkich elektronów, z wyjątkiem dwóch. Powstałe w ten sposób wysoko naładowane jony uranu to idealne mini laboratoria, które pozwalają  badać zachowanie związanych elektronów w niezwykle silnych polach elektromagnetycznych.

Lötzsch i współpracownicy przeprowadzili swoje eksperymenty w Centrum Badań Ciężkich Jonów GSI Helmholtz w Darmstadt w Niemczech, przyspieszając jony uranu i przepuszczając je przez folię miedzianą, która oderwała z każdego jonu wszystkie elektrony z wyjątkiem jednego. Po zderzeniu z tarczą azotową jony te pochwyciły inny elektron, tworząc uran podobny do helu: jądro uranu z dwoma związanymi z nim elektronami. W wyniku tego procesu każdy jon uranu wraz z jednym z dwóch elektronów znajdował się w stanie wysokoenergetycznym. Elektrony te szybko przechodziły do stanu podstawowego poprzez sekwencję przejść między poziomami energetycznymi wytworzonego jonu. Mierząc promieniowanie rentgenowskie uwalniane podczas konkretnego przejścia, naukowcy określili energię tego przejścia. Zmierzona energia była zgodna z przewidywaniami opartymi na QED – teoria się potwierdziła. Uzyskany wynik to wyjątkowy precyzyjny i rygorystyczny test teorii QED.

DB, pio