Development of many-electron systems electronic structure calculation methods for studying the properties of tantalum and thallium nuclei

Abstract

Квадрупольное распределение протонов в ядре - это хорошо известное свойство, которое может быть извлечено из сверхтонкого расщепления в атомах и молекулах. Оно соответствует электрическому квадрупольному моменту ядра. Напротив, квадрупольное распределение нейтронов в ядре до сих пор практически не исследовано. Хотя нейтроны являются незаряженными частицами, они участвуют в слабых взаимодействиях. В работе рассмотрено следующее проявление этого взаимодействия: тензорное несохраняющее пространственную четность взаимодействие между ядром и электронами в молекуле. Поскольку слабый заряд нейтрона более чем на порядок превышает слабый заряд протона, эффект определяется в основном квадрупольным распределением нейтронов в ядре. В молекулах эффекты несохранения четности усиливаются в связи с присутствием близких по энергии состояний противоположной четности. Мы вычисляем параметры эффекта несохранения пространственной четности для катиона ТаО+. Он обладает некоторыми преимуществами, в частности доступностью необходимого деформированного изотопа 181Та, а также тем, что рабочее состояние ^3\Delta_1 является основным. Для вычисления молекулярного параметра, характеризующего рассматриваемое взаимодействие, был использован метод связанных кластеров. Также были вычислены энергии низколежащих возбужденных состояний. Величина полученной оценки эффекта несохранения четности может служить отправной точкой для планирования соответствующего эксперимента. В случае положительного результата, в таком эксперименте возможно будет впервые измерить квадрупольный момент подсистему нейтронов.

Другое ядерное свойство, которое мы исследовали -, это среднеквадратический зарядовый радиус ядра. Зарядовые радиусы ядер являются очень чувствительными характеристиками, позволяющими изучать различные эффекты ядерной структуры. На протяжении последних десятилетий был достигнут большой прогресс в измерении изотопических сдвигов атомных энергий переходов. Тем не менее, для интерпретации экспериментов в терминах зарядовых радиусов ядер необходимо знание теоретических свойств - величин электронных факторов, которые связывают изотопические сдвиги атомного перехода в цепочке изотопов с изменениями зарядовых радиусов ядер и их масс (через эффект отдачи). Во многих случаях погрешность извлеченных ядерных свойств определяется неопределенностью теоретических значений электронных факторов, таким образом делая бессмысленным достижение высокой точности эксперимента для извлечения ядерных свойств. Мы показываем, что применение релятивистской теории связанных кластеров с учетом высоких порядков может значительно сократить разницу между теоретической и экспериментальной точностью, что позволяет получить уточненные значения зарядовых радиусов изотопов таллия. Предложенная схема расчетов может быть применена к другим системам для извлечения зарядовых радиусов на новом уровне точности.

The quadrupole distribution of protons inside the nucleus is a well-known property and can be extracted from the electric quadrupole hyperfine structure of atoms and molecules; it corresponds to the electric quadrupole moment of the nucleus. In contrast, at present, the quadrupole distribution of neutrons inside the nucleus is almost completely unknown. Being electrically neutral, the neutron can participate in the weak interaction. In the work we consider the manifestation of this property: it can lead to the tensor parity non-conserving interaction between the nucleus and electrons inside a molecule. As the neutron weak charge is much larger than the proton one, the effect is dominated by the quadrupole distribution of the neutron subsystem of the nucleus. In molecules, parity non-conserving effects are generally strongly enhanced due to the availability of close levels of opposite parity. We calculate the parameters of parity nonconservation effect for the TaO^+ cation. It has a number of features such as the availability of the required deformed isotope 181Ta; furthermore, the working ^3\Delta_1 state is the ground one. For the calculation of the molecular parameter, which characterizes considered interaction, the relativistic Fock-Space coupled cluster method with the recently developed dynamic denominator shifting technique which allows to avoid intruder states problem was used. Transition energies of low-lying electronic states have also been calculated. The value of the estimated parity non-conserving effect can be used as an initial step to plan corresponding experiment. In case of a positive result, such an experiment can potentially measure the neutron quadrupole distribution for the first time. Another nuclear property we have investigated was a nuclear square-mean charge radius. Nuclear charge radii are very sensitive probes of different aspects of the nucleus structure. During the last decades, significant progress in measuring isotope shifts of atomic transition energies has been achieved. However, the interpretation of experiments in terms of the nuclei charge radii requires theoretical input — the values of the electronic structure factors that connect the shifts of transition energies in the isotope chain with the changes of the nucleus charge radius and their masses (via the recoil effect). In many cases, the uncertainty of the extracted nuclei properties is dominated by the theoretical input indeterminacy, thus making the experimental efforts unrealized in the final valus of nuclear properties. We show that the application of the relativistic high-order coupled cluster theory can significantly reduce the gap between the experimental and theoretical accuracy leading to the refined values of charge radii of the long thallium isotopic chain. The proposed computational scheme can be applied to other systems for the extraction of nuclear charge radii at a new level of accuracy.