Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Новости LHC

 
29.12.2016
Опубликована видеозапись лекции Игоря Иванова про Большой адронный коллайдер

28.12.2016
Вышел подробный обзор о форвард-физике на LHC

20.12.2016
Вышел подробный отчет о мониторах светимости на LHC






Главная / Библиотека / Статьи лауреатов «Династии» версия для печати

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.


Комментарии (1)


 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия