Квантові електродинамічні ефекти в атомних системах

Єрохін Володимир Анатолійович

Квантова електродинаміка (КЕД), або наука про взаємодію речовини з квантованими електромагнітним полем, зародилася понад сімдесят років тому. За цей час досягнуті значні успіхи в поясненні і пророкування багатьох фізичних явищ. Один з класичних об'єктів дослідження - атом водню, найпростіша пов'язана система. Саме для водню сьогодні найбільш точно виміряти енергія 2s-1s-переходу з точністю 1,8 * 10-14 або 46 кГц. При цьому квантові електродинамічні розрахунки рівнів енергії дають 32 кГц для 1s-стану і 4 кГц для 2s-стану.

В найближчому майбутньому експериментальну точність планується довести до значення, наближається до природної ширини спектральної лінії 2s-рівня (1,3 кГц). Це дозволить в лабораторних умовах перевірити твердження про залежність фундаментальних констант від часу, який випливає з більшості розширень Стандартної моделі. Вже на нинішньому рівні експериментальної точності розрахунки КЕД-ефектів дозволяють отримати найбільш точні результати для деяких фундаментальних констант: постійної тонкої структури, відношення мас електрона і протона, радіусу протона і т. д.

Незважаючи на те, що характерний рівень енергій в атомних системах на багато порядків менше, ніж на сучасних прискорювачах, досяжна експериментальна та теоретична точність робить що розглядаються системи дуже перспективним об'єктом для пошуків нової фізики поза Стандартної моделі. Крім пошуків нової фізики поза рамками Стандартної моделі і уточнення значень фундаментальних констант дуже важливі дослідження, що дозволяють перевірити пророкування квантової електродинаміки в різних умовах. Необхідність таких робіт зумовлена тим, що багато теорій, що пояснюють інші види взаємодій, побудовані за тим же принципом, що і квантова електродинаміка.

В Останнім часом об'єктами пильної уваги теоретиків і експериментаторів стають системи, які ще недавно можна було вважати екзотичними: важкі іони з одним або декількома електронами (багатозарядні іони або, за числу електронів, воднево-, гелій-і літійподобние іони). Такий інтерес до багатозарядним іонів пояснюється стрімким прогресом експериментальної атомної спектроскопії. Останнім часом стало можливим настільки точно вимірювати спектральні характеристики таких систем, що на порядок денний ставиться питання про перевірку КЕД у другому порядку (за постійної тонкої структури). Ця завдання виключно важлива, оскільки перевірка буде проводитися у новій області сильного кулонівського поля (як це має місце для лембовского зсуву) і в області накладення сильних електричних та магнітних полів (для надтонкого розщеплення).

З практичної точки зору кулонівському поле, в якому знаходиться електрон в водородоподобном іоні урану, - це, мабуть, найбільш сильне електричне поле, доступне сьогодні для прецизійного експериментального вивчення. Представляється природним, що в пошуку меж застосовності теорії (у даному випадку - КЕД) найбільш перспективні саме подібні області з екстремальними характеристиками. Тим самим проблема розрахунку КЕД-ефектів в спектрах одно-, дво-і трехелектронних багатозарядних іонів набуває фундаментальний характер.

Наша група під керівництвом професора В. М. Шабаева виконує дослідження у всіх напрямках, позначених вище. Так, нещодавно в результаті експериментального і теоретичного вивчення g-фактора електрона в водородоподобном іоні вуглецю ми отримали нове значення маси електрона, що приблизно в чотири рази покращує точність загальноприйнятого значення. При цьому слід зазначити, що таке поліпшення точності стало можливим багато в чому завдяки уточненню значення поправки до g-фактору на однопетлевую власну енергію і повному релятивістської розрахунку поправки на віддачу ядра. Обидва розрахунку виконала наша група.

Велике увагу в наших дослідженнях ми приділяємо розрахунками КЕД-ефектів в сильному полі ядра. Цей випадок реалізується у важких іони з одним або декількома електронами. У таких системах кулонівської взаємодії з ядром не можна розглядати як мале обурення, тому розгляд повинно проводитися у всіх порядках по зовнішньому полю. За допомогою послідовних КЕД-розрахунків поправок до рівнів енергії різних систем нам вдалося отримати найбільш точні теоретичні результати для енергії 2p1/2-2s-перехода в літійподобних іони і для енергії основного стану водородоподобних іонів. Особливу увагу ми приділяємо порівнянні з експериментальними результатами і перевірці КЕД-ефектів у другому порядку за постійної тонкої структури.

Найбільшою точності до цього моменту вдалося досягти для літійподобного урану, порівняння експериментального значення в якому з теоретичним розрахунком забезпечило перевірку КЕД-ефектів другого порядку на рівні 15%. Перевірка КЕД-ефектів на рівні декількох відсотків виявляється можливою також для надтонкого розщеплення рівнів у багатозарядних іони. Ми продемонстрували, що значне скорочення ядерних ефектів (які досить великі для надтонкого розщеплення) досягається в специфічній різниці надтонких інтервалів для воднево-і літійподобних іонів з одним і тим же ядром.

Особливо варто відзначити обчислення поправки на двухпетлевую власну енергію, яке ми виконали у всіх порядках по Za для основного стану водородоподобних іонів. На даний момент це єдиний розрахунок такого рівня в цiй області. Двухпетлевая власна енергія виявляється першим "нетривіальною" КЕД-поправкою другого порядку по a, обчисленої у всіх порядках по Za. Розроблений метод обчислень відкриває перспективи для обчислення інших подібних поправок, які дуже істотні для порівняння теорії з експериментом.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://elementy.ru/