Квантові електродинамічні ефекти в атомних системах

Квантовые электродинамические ефекти в атомних системах

Ерохин Володимир Анатольевич Квантовая електродинаміка (ШЕД), чи наука про взаємодії речовини з квантованным електромагнітним полем, зародилася більш як 70 років тому вони. Упродовж цього терміну досягнуто неабиякі успіхи в поясненні і пророкуванні багатьох фізичних явищ. Один з класичних об'єктів дослідження — атом водню, найпростіша пов’язана система. Саме з водню сьогодні точно виміряти енергія 2s-1s-перехода з точністю 1,8*10−14 чи 46 кГц. У цьому квантові электродинамические розрахунки рівнів енергії дають 32 кГц для 1s-состояния і 4 кГц для 2s-состояния.

В недалекому майбутньому експериментальну точність планується довести до значення, яке до природною ширині спектральною лінії 2s-уровня (1,3 кГц). Це дозволить в лабораторних умовах перевірити твердження про залежності фундаментальних констант від часу, яке випливає з більшості розширень Стандартної моделі. Уже нинішніх рівні експериментальної точності розрахунки КЭД-эффектов дозволяють отримати найточніші результати декому фундаментальних констант: постійної тонкої структури, відносини мас електрона і протона, радіуса протона тощо. д.

Несмотря те що, що характерний рівень енергій в атомних системах набагато порядків менше, ніж сучасних прискорювачах, досяжною є експериментальна і теоретична точність робить аналізовані системи її дуже перспективною об'єктом для пошуків нової фізики поза Стандартної моделі. Крім пошуків нової фізики поза межами Стандартної моделі і уточнення значень фундаментальних констант дуже важливі дослідження, дозволяють перевірити передбачення квантової електродинаміки у різних умовах. Необхідність таких робіт обумовлена тим, що чимало теорії, в яких розтлумачувалося інші типи взаємодій, побудовано по до того ж принципу, як і квантова электродинамика.

В останнім часом об'єктами пильної уваги теоретиків і експериментаторів стають системи, які нещодавно можна було екзотичними: важкі іони з однією або кількох електронами (багатозарядні іони чи, по числу електронів, водородо-, гелійі литийподобные іони). Такий інтерес до многозарядным ионам пояснюється стрімким прогресом експериментальної атомної спектроскопії. Останнім часом можна було настільки точно вимірювати спектральні характеристики таких систем, що у порядок денний ставиться питання перевірці ШЕД у другому порядку (по постійної тонкої структури). Ця завдання надзвичайно важлива, оскільки перевірка здійснюватиметься у новій області сильного кулонівського поля (як це має місце для лэмбовского зсуву) й області накладення сильних електричних і магнітних полів (для надтонкого расщепления).

С практичної погляду кулоновское полі яку повергнута електрон в водородоподобном іоні урану, — це, очевидно, найсильніше електричне полі, доступне сьогодні для прецизійного експериментального вивчення. Звісно ж природним, що у пошуку кордонів застосовності теорії (у цьому разі - ШЕД) найперспективніші саме такі області з екстремальними характеристиками. Тим самим було проблема розрахунку КЭД-эффектов в спектрах одне-, двохі трехэлектронных многозарядных іонів набуває фундаментальний характер.

Наша група під керівництвом професора У. М. Шабаева виконує дослідження з всім напрямам, позначених вище. Так, недавно внаслідок експериментального і теоретичного вивчення g-фактора електрона в водородоподобном іоні вуглецю ми отримали «нове значення маси електрона, яке приблизно в чотири рази покращує точність узвичаєного значення. У цьому треба сказати, що таке поліпшення точності можна було значною мірою завдяки уточненню значення поправки до g-фактору на однопетлевую власну енергію та повного релятивистскому розрахунку поправки на віддачу ядра. Обидва розрахунку виконала наша группа.

Большое увагу наші дослідження ми приділяємо розрахунках КЭД-эффектов у сильному полі ядра. Цей випадок реалізується у важких іонах з однією або кількох електронами. У цих системах кулоновское взаємодію Космосу з ядром не можна розглядати, як мале обурення, тому розгляд має здійснюватися переважають у всіх порядках по зовнішньому полю. З допомогою послідовних КЭД-расчетов правок рівням енергії різних систем ми змогли отримати найбільш точні теоретичні результати для енергії 2p½−2s-перехода в литийподобных іонах й у енергії основного стану водородоподобных іонів. Особливу увагу ми приділяємо порівнянню з експериментальними результатами і перевірці КЭД-эффектов у другому порядку за постійної тонкої структуры.

Наибольшей точності досі вдалося досягти для литийподобного урану, порівняння експериментального значення який із теоретичним розрахунком забезпечило перевірку КЭД-эффектов другого порядку лише на рівні 15%. Перевірка КЭД-эффектов лише на рівні кількох відсотків виявляється можливої також і надтонкого розщеплення рівнів в многозарядных іонах. Ми продемонстрували, що значне скорочення ядерних ефектів (на дуже великі для надтонкого розщеплення) буває у специфічної різниці надтонких інтервалів для водородоі литийподобных іонів з однією і тим самим ядром.

Особо слід зазначити обчислення поправки на двухпетлевую власну енергію, яке виконали переважають у всіх порядках по Za для основного стану водородоподобных іонів. Нині це єдиний розрахунок цього рівня у цій області. Двухпетлевая власна енергія виявляється першої «нетривіальною «КЭД-поправкой другого порядку по a, обчисленою у всіх порядках по Za. Розроблений метод обчислень відкриває для обчислення інших схожих поправок, на дуже істотні порівнювати теорії з экспериментом.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.