Des chercheurs de l'Université RUDN ont développé une méthode mathématique pour résoudre le problème quantique à trois corps de Coulomb pour les états liés avec une grande précision. Ils ont également montré que les calculs précédents effectués par un groupe de scientifiques japonais sont incorrects. Les travaux contribueront à des calculs plus précis des trajectoires des particules quantiques dans l'espace, et ses résultats seront utiles pour résoudre les problèmes fondamentaux de la physique. L'article a été publié dans la revue Examen physique A .

Des physiciens de l'Université RUDN ont calculé la quantité d'énergie nécessaire pour retirer un électron d'un atome, transformant ainsi ce dernier en ion. Ils ont déterminé la valeur de ce paramètre pour différents niveaux dans l'atome d'hélium avec la meilleure précision connue—jusqu'à 35 chiffres décimaux. Il s'est avéré que les solutions utilisées précédemment pour l'ion hydrogène H ⁻ , avec 40 décimales, s'écarte de la valeur précédemment déterminée pour la 35e décimale.

Les scientifiques ont effectué des calculs pour un système d'atomes d'hélium interagissant selon la loi de Coulomb. A l'état normal, les atomes sont neutres et n'interagissent pas entre eux. Pour que cela se produise, il faut ioniser l'atome d'hélium, c'est-à-dire enlever un électron à l'ion. Ensuite, l'atome acquerra une charge positive. Cela nécessite d'obtenir de l'énergie (l'énergie dite d'ionisation). Sa valeur détermine la force de l'interaction d'un ion avec d'autres particules chargées et la trajectoire de son mouvement dans l'espace.

« Nous avons développé une approche basée sur la méthode variationnelle, qui permet de résoudre numériquement le problème quantique à trois corps lié par l'interaction de Coulomb, avec une précision presque arbitraire. Cette méthode est utilisée pour calculer les énergies d'ionisation d'un atome d'hélium pour différents niveaux d'énergie de moment angulaire orbital arbitraire. Notre approche a démontré l'efficacité et la flexibilité dans l'étude des systèmes coulombiens. Par ailleurs, l'obtention de telles valeurs ne nécessite pas l'utilisation de supercalculateurs, ", explique le co-auteur Vladimir Korobov du Laboratoire de physique théorique de l'Institut commun de recherche nucléaire.

En mécanique classique, le problème à trois corps consiste à déterminer les trajectoires de mouvement de trois objets dans l'espace les uns par rapport aux autres. Ce problème n'a pas de solution générale sous forme de fonctions finies pour les trajectoires; seules des solutions particulières sont trouvées pour certaines vitesses et coordonnées initiales. En mécanique quantique, le problème à trois corps n'a pas non plus de solution analytique.

Des méthodes de calcul de haute précision aident à résoudre de nombreux problèmes physiques fondamentaux - dans les études d'atomes d'hélium exotiques constitués d'antiprotons, les électrons et le noyau d'hélium, par exemple. Ils sont particulièrement intéressants car ils permettent des mesures de haute précision du spectre énergétique de ce système exotique et de comparer les résultats théoriques avec ceux obtenus expérimentalement. Leurs résultats permettront aux chercheurs de mieux comprendre la nature de l'antimatière et d'amplifier les connaissances sur le monde quantique.