Квантовые электродинамические эффекты в атомных системах
Квантовые электродинамические эффекты в атомных
системах
Ерохин Владимир Анатольевич
Квантовая
электродинамика (КЭД), или наука о взаимодействии вещества с квантованным электромагнитным
полем, зародилась более семидесяти лет назад. За это время достигнуты
значительные успехи в объяснении и предсказании многих физических явлений. Один
из классических объектов исследования - атом водорода, простейшая связанная
система. Именно для водорода сегодня наиболее точно измерена энергия
2s-1s-перехода с точностью 1,8*10-14 или 46 кГц. При этом квантовые
электродинамические расчеты уровней энергии дают 32 кГц для 1s-состояния и 4
кГц для 2s-состояния.
В
ближайшем будущем экспериментальную точность планируется довести до значения,
приближающегося к естественной ширине спектральной линии 2s-уровня (1,3 кГц).
Это позволит в лабораторных условиях проверить утверждение о зависимости
фундаментальных констант от времени, которое следует из большинства расширений
Стандартной модели. Уже на нынешнем уровне экспериментальной точности расчеты
КЭД-эффектов позволяют получить наиболее точные результаты для некоторых
фундаментальных констант: постоянной тонкой структуры, отношения масс электрона
и протона, радиуса протона и т. д.
Несмотря
на то, что характерный уровень энергий в атомных системах на много порядков
меньше, чем на современных ускорителях, достижимая экспериментальная и
теоретическая точность делает рассматриваемые системы весьма перспективным
объектом для поисков новой физики вне Стандартной модели. Помимо поисков новой
физики вне рамок Стандартной модели и уточнения значений фундаментальных
констант очень важны исследования, позволяющие проверить предсказания квантовой
электродинамики в различных условиях. Необходимость таких работ обусловлена
тем, что многие теории, объясняющие другие типы взаимодействий, построены по
тому же принципу, что и квантовая электродинамика.
В
последнее время объектами пристального внимания теоретиков и экспериментаторов
становятся системы, которые еще недавно можно было считать экзотическими:
тяжелые ионы с одним или несколькими электронами (многозарядные ионы или, по
числу электронов, водородо-, гелий- и литийподобные ионы). Такой интерес к
многозарядным ионам объясняется стремительным прогрессом экспериментальной
атомной спектроскопии. В последнее время стало возможным настолько точно
измерять спектральные характеристики таких систем, что на повестку дня ставится
вопрос о проверке КЭД во втором порядке (по постоянной тонкой структуры). Эта
задача исключительно важна, поскольку проверка будет производиться в новой
области сильного кулоновского поля (как это имеет место для лэмбовского сдвига)
и в области наложения сильных электрических и магнитных полей (для сверхтонкого
расщепления).
С
практической точки зрения кулоновское поле, в котором находится электрон в
водородоподобном ионе урана, - это, по-видимому, наиболее сильное электрическое
поле, доступное сегодня для прецизионного экспериментального изучения.
Представляется естественным, что в поиске границ применимости теории (в данном
случае - КЭД) наиболее перспективны именно подобные области с экстремальными
характеристиками. Тем самым проблема расчета КЭД-эффектов в спектрах одно-,
двух- и трехэлектронных многозарядных ионов приобретает фундаментальный
характер.
Наша
группа под руководством профессора В. М. Шабаева выполняет исследования по всем
направлениям, обозначенным выше. Так, недавно в результате экспериментального и
теоретического изучения g-фактора электрона в водородоподобном ионе углерода мы
получили новое значение массы электрона, которое примерно в четыре раза
улучшает точность общепринятого значения. При этом следует отметить, что такое
улучшение точности стало возможным во многом благодаря уточнению значения
поправки к g-фактору на однопетлевую собственную энергию и полному
релятивистскому расчету поправки на отдачу ядра. Оба расчета выполнила наша
группа.
Большое
внимание в наших исследованиях мы уделяем расчетам КЭД-эффектов в сильном поле
ядра. Этот случай реализуется в тяжелых ионах с одним или несколькими
электронами. В таких системах кулоновское взаимодействие с ядром нельзя
рассматривать как малое возмущение, поэтому рассмотрение должно производиться
во всех порядках по внешнему полю. С помощью последовательных КЭД-расчетов
поправок к уровням энергии различных систем нам удалось получить наиболее
точные теоретические результаты для энергии 2p1/2-2s-перехода в литийподобных
ионах и для энергии основного состояния водородоподобных ионов. Особое внимание
мы уделяем сравнению с экспериментальными результатами и проверке КЭД-эффектов
во втором порядке по постоянной тонкой структуры.
Наибольшей
точности к настоящему моменту удалось достигнуть для литийподобного урана,
сравнение экспериментального значения в котором с теоретическим расчетом
обеспечило проверку КЭД-эффектов второго порядка на уровне 15%. Проверка
КЭД-эффектов на уровне нескольких процентов оказывается возможной также для
сверхтонкого расщепления уровней в многозарядных ионах. Мы продемонстрировали,
что значительное сокращение ядерных эффектов (которые весьма велики для
сверхтонкого расщепления) достигается в специфической разности сверхтонких
интервалов для водородо- и литийподобных ионов с одним и тем же ядром.
Особо
стоит отметить вычисление поправки на двухпетлевую собственную энергию, которое
мы выполнили во всех порядках по Za для основного состояния водородоподобных
ионов. В настоящий момент это единственный расчет такого уровня в данной
области. Двухпетлевая собственная энергия оказывается первой
"нетривиальной" КЭД-поправкой второго порядка по a, вычисленной во
всех порядках по Za. Разработанный метод вычислений открывает перспективы для
вычисления других подобных поправок, которые весьма существенны для сравнения
теории с экспериментом.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://elementy.ru/