Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии (ВНИИМ)
им. Д. И. Менделеева (Санкт-Петербург)

Отдел 202: Теоретической и квантовой метрологии
Сектор 2021: Прецизионной физики и метрологии простых атомных систем


Оглавление
Новости
- 2005
- 2004
- Все новости
Об этой странице
О секторе
Научная работа
- Научные интересы
- Научные проекты
- Научное сотрудничество
- Гранты
Физика простых атомов и ее приложения
(Путеводитель по простым атомам)
- Простые атомные системы
- Уровни энергии в простых атомах
- Прецизионная физика простых атомов
- Приложения  к метрологии
- Квантовая электродинамика
- Логарифмические поправки
- Оптические переходы в водороде
- Поиски изменения констант
Публикации группы
- Книги
- Статьи в журналах
- Электронные препринты
- Все публикации
Конференции
- Конференции по простым атомам
- Конференции по изменению констант
Адрес и контактная информация
Home page
 
 
Приложения прецизионной физики простых атомов к метрологии

Само по себе прецизионное изучение, чего бы то ни было, тесно связано с  метрологией, и поэтому прецизионная атомная спектроскопия неотделима от метрологии оптических и радиочастотных измерений. Однако изучение простых атомов выходит далеко за пределы этой узкой области и играет существенную роль для самых различных задач квантовой метрологии. Одно из главных направлений развития современной метрологии связано с созданием естественных эталонов различных величин и, в особенности, - эталонов, основанных на фундаментальных физических константах. Последние реализованы c использованием как различных квантовых эффектов (в частности, на макроскопических, таких как квантовый эффект Холла и эффект Джозефсона), так и классических эффектов, учитывающих дискретную природу вещества (т. е. то, что вещество состоит из атомов и молекул, а электрический заряд переносится ионами и электронами. Поэтому массу кристаллического объекта можно найти, “пересчитывая” атомы, а перенесенный заряд - “считая” электроны или ионы). Ключевую роль играют при этом параметры электрона и протона, такие как заряд электрона (протона) и их отношение масс. С другой стороны, свойства простых атомов также определяются свойствами электрона и поэтому прецизионные исследования простых атомных систем находят важное приложение в различных областях метрологии. Ниже обсуждаются фундаментальные физические константы, измеряемые с высокой точностью средствами физики простых атомов и выражающиеся через различные комбинации элементарных констант, включающих заряд или массу электрона. Подробная библиографическая база данных по определению значений различных фундаментальных физических констант может быть найдена на электронной страничке НИСТ (NIST Fundamental Constants Bibliographic Search).


Определение постоянной тонкой структуры 

Наиболее удобной системой единиц для прецизионной теории простых атомов является релятивистская система единиц, в которой  и . Постоянная тонкой структуры  может быть определена с высокой точностью различными способами и несколько из них связаны с квантовой электродинамикой. Наиболее точный из них основан на исследованиях аномального магнитного момента электрона. Другой способ базируется на исследованиях сверхтонкого расщепления основного состояния в мюонии. Определение постоянной тонкой структуры этим способом требует на самом деле двух измерений: собственно расщепления и отношения масс электрона и мюона . Значительная часть теоретических расчетов была выполнена в нашей группе.
 

Основные публикации
  • С. Г. Каршенбойм. Новые логарифмические вклады в мюонии и позитронии. ЖЭТФ 103 (1993) 1105-1117. Перевод: S. G. Karshenboim. New logarithmic contributions in muonium and positronium. JETP 76 (1993) 541-546.
  • M. Eides and V. Shelyuto. New corrections to hyperfine splitting and lamb shift and the value of the Rydberg constant. Письма в ЖЭТФ 61 (1995) 465-470. Перепечатка: M. Eides and V. Shelyuto. New corrections to hyperfine splitting and lamb shift and the value of the Rydberg constant. JETP Letters 61 (1995) 478-484.
  • M. I. Eides and V. A. Shelyuto. Corrections of order  to hyperfine splitting and Lamb shift. Physical Review A52 (1995) 954-961. Электронный препринт: hep-ph/9501303.
  • S. G. Karshenboim. Leading logarithmic corrections and uncertainty of muonium hyperfine splitting calculations. Zeitschrift fuer Physik D36 (1996) 11-15.
  • S. G. Karshenboim and V. A. Shelyuto, Hadronic Vacuum Polarization Contribution to the Muonium Hyperfine Splitting. Physics Letters B 517 (2001) 32-36. Электронный препринт: hep-ph/0107328.
  • S. G. Karshenboim. Leading logarithmic corrections to the muonium hyperfine splitting and to the hydrogen Lamb shift. Conference on Precision Electromagnetic Measurements. Digest. Boulder (1994) 225-226.
  • S. G. Karshenboim. Precise Physics of Simple Atoms. Atomic Physics 17 (AIP conference proceedings 551) Ed. by E. Arimondo et al. (AIP, 2001), pp. 238-253. hep-ph/0007278.
  • A. Czarnecki, S. I. Eidelman, and S. G. Karshenboim. Muonium hyperfine structure and hadronic effects. Physics Review D 65 (2002) 053004. Электронный препринт: hep-ph/0107327. 

Еще два способа в настоящее время находятся на стадии разработки: один из них основан на прецизионной спектроскопии нейтрального гелия (реализована в нескольких лабораториях) и предполагает создание высокоточной теории уровней энергии нейтрального гелия, трехчастичной системы. Другой способ – требует дальнейшего развития теории и эксперимента по изучению магнитного момента связанного электрона (в водородоподобном ионе с бесспиновым ядром).
 

  • S. G. Karshenboim. The g Factor of a Bound Electron in a Hydrogen-Like Atom. In Hydrogen atom: Precision physics of simple atomic systems. Ed. by S. G. Karshenboim et al., (Springer, Berlin, Heidelberg, 2001) рр. 651-663. hep-ph/0008227.
  • С. Г. Каршенбойм, В. Г. Иванов, В. М. Шабаев. Поляризация вакуума в водородоподобном релетявистском атоме: g-фактор связанного электрона. ЖЭТФ 120 (2001) 546-554. Перевод: S. G. Karshenboim, V. G. Ivanov and V. M. Shabaev. Vacuum polarization in a hydrogen-like relativistic atom: g factor of a bound electron. JETP 93 (2001) 477-484.
  • T. Beier, H. Haeffner, N. Hermanspahn, S. G. Karshenboim, H.-J. Kluge, W. Quint, S. Stahl, J. Verdu and G. Werth. A new determination of the electron's mass. Physical Review Letters 88 (2002) 011603. 

Определение постоянной Ридберга Ry

Измерение постоянной Ридберга возможно лишь в случае прецизионных измерений частот оптических переходов между уровнями с разным значениями главного квантового числа n в водороде или дейтерии. Для извлечения значения постоянной Ридберга необходимо знать с высокой точностью величину лэмбовских сдвигов вовлеченных в переход уровней. Специальные комбинации этих величин могут быть найдены теоретически на основе расчетов в рамках КЭД, однако для величины лэмбовского сдвига уровня 1s необходимо знать зарядовый радиус протона, который определяется экспериментально. Сдвиг для 1s величина также может быть получен из сравнения измерений разных переходов. В этом случае необходимо уметь пересчитывать лэмбовский сдвиг от одного уровня к другому. У нас в группе проводятся как расчеты лэмбовского сдвига основного уровня,
 

  • С. Г. Каршенбойм. Новые логарифмические вклады в мюонии и позитронии. ЖЭТФ 103 (1993) 1105-1117. Перевод: S. G. Karshenboim. New logarithmic contributions in muonium and positronium. JETP 76 (1993) 541-546.
  • M. Eides and V. Shelyuto. New corrections to hyperfine splitting and lamb shift and the value of the Rydberg constant. Письма в ЖЭТФ 61 (1995) 465-470. Перепечатка: M. Eides and V. Shelyuto. New corrections to hyperfine splitting and lamb shift and the value of the Rydberg constant. JETP Letters 61 (1995) 478-484.
  • M. I. Eides and V. A. Shelyuto. Corrections of order  to hyperfine splitting and Lamb shift. Physical Review A52 (1995) 954-961. Электронный препринт: hep-ph/9501303.
  • S. G. Karshenboim. What do we actually know on the proton radius? Conference on Precision Electromagnetic Measurements. Digest (Washington, 1998) 86-87.
  • S. G. Karshenboim. The hydrogen Lamb shift and the proton radius. In: Proceedings of the International Workshop Hadronic Atoms and Positronium in the Standard Model. Ed. By M. A. Ivanov et al., Dubna (1998) 224-231. hep-ph/0008137.

так и вычисляются величины, необходимые для пересчета.
 

Постоянная Ридберга является в настоящее время наиболее точно измеренной фундаментальной физической константой.
 

Основные публикации
  • С. Г. Каршенбойм.  Лэмбовский сдвиг в атоме водорода. ЖЭТФ 106 (1994) 414-424. Перевод: S. G. Karshenboim. The Lamb shift in the hydrogen atom. JETP 79 (1994) 230-236.
  • S. G. Karshenboim. What do we actually know on the proton radius? Canadian Journal of Physics 77 (1999) 241-266. Электронный препринт: hep-ph/9712347.
  • S. G. Karshenboim. Leading logarithmic corrections to the muonium hyperfine splitting and to the hydrogen Lamb shift. Conference on Precision Electromagnetic Measurements. Digest. Boulder (1994) 225-226.
  • S. G. Karshenboim. Precise Physics of Simple Atoms. Atomic Physics 17 (AIP conference proceedings 551) Ed. by E. Arimondo et al. (AIP, 2001), pp. 238-253. hep-ph/0007278.
  • S. G. Karshenboim. Laser spectroscopy of simple atoms and precision tests of bound state QED. Invited talk at 3rd Simposium on Modern Problems of Laser Physics (Novosibirsk, 2000), to be published. physics/0008215.
  • S. G. Karshenboim. Precision optical measurements and fundamental constants. In  Laser Physics at the Limits, ed. by H. Figger, D. Meschede and C. Zimmermann (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2001) pp. 165-176.
  • S.G. Karshenboim. Simple Atoms, Quantum Electrodynamics and Fundamental Constants. In Precision Physics of Simple Atomic Systems Ed. by S. G. Karshenboim and V. B. Smirnov (Springer, Berlin, Heidelberg, 2003) pp. 141-162. Электронный препринт: hep-ph/0305205.

Определение массы электрона (в атомных единицах массы)

Масса электрона отличается от массы протона на три порядка и поэтому их сравнение представляет собой существенно более сложную задачу, чем сравнение масс протона, ядер, ионов или атомов между собой. Ключевым экспериментом является сравнение массы электрона с массой любого из перечисленных более тяжелых объектов. Одним из них может быть выбран нейтральный углерод-12 и такое специальное отношение является ни чем иным как массой электрона в атомных единицах массы. До недавнего времени наиболее точным способом измерения  было прямое сравнение циклотронных частот вращения этих частиц в магнитном поле, созданном в специальной ловушке. Недавние исследования магнитного момента водородоподобного иона углерода-12 и кислорода -16 показало, что новый метод имеет богатый потенциал и полученное на его основе значение  уже сейчас оказывается конкурентоспособным. Расчеты некоторых вкладов в g-фактор связанного электрона являются одним из проектов, развиваемых в нашей группе.
 

Основные публикации
  • S. G. Karshenboim. The g Factor of a Bound Electron in a Hydrogen-Like Atom. In Hydrogen atom: Precision physics of simple atomic systems. Ed. by S. G. Karshenboim et al., (Springer, Berlin, Heidelberg, 2001) рр. 651-663. hep-ph/0008227.
  • S. G. Karshenboim. Non-relativistic calculations of the g-factor of a bound electron. Physics Letters A266 (2000) 380-386.
  • С. Г. Каршенбойм, В. Г. Иванов, В. М. Шабаев. Поляризация вакуума в водородоподобном релетявистском атоме: g-фактор связанного электрона. ЖЭТФ 120 (2001) 546-554. Перевод: S. G. Karshenboim, V. G. Ivanov and V. M. Shabaev. Vacuum polarization in a hydrogen-like relativistic atom: g factor of a bound electron. JETP 93 (2001) 477-484.
  • T. Beier, H. Haeffner, N. Hermanspahn, S. G. Karshenboim, H.-J. Kluge, W. Quint, S. Stahl, J. Verdu and G. Werth. A new determination of the electron's mass. Physics Review Letters 88 (2002) 011603.
  • S. G. Karshenboim and V. G. Ivanov. g factor in a light two body atomic system: a determination of fundamental constants to test QED. Canadian Journal of Physics 80 (2002) 1305-1312. Электронный препринт: hep-ph/0209145.
  • S. G. Karshenboim and A. I. Milstein, Delbruck scattering and the g-factor of a bound electron. Physics Letters B 549 (2002) 321-324. Электронный препринт: hep-ph/0210069.

Связь с другими фундаментальными константами

Постоянная тонкой структуры, постоянная Ридберга и масса электрона оказываются важными для определения значений других физических констант, таких как постоянная Клитцинга, квант магнитного потока, заряд электрона, постоянная Фарадея и постоянная Авогадро. Эти константы используются для поддержания единиц основных электрических величин: ома и фарада (постоянная Клитцинга), вольта (квант магнитного потока) и ампера (заряд электрона). Постоянная Авогадро является, по существу, переводным множителем между единицей массы, принятой по произвольному соглашению (килограммом), и естественной единицей (атомной единицей массы). Существует много различных способов для прецизионного определения значений фундаментальных физических констант (помимо физики простых атомов). Процедура проверки самосогласованности всех значений, полученных разными способами, и определение наиболее точных текущих величин называется Согласованием значений фундаментальных физических констант и регулярно проводится Рабочей группы по фундаментальным константам Международного Комитета по численным данным для науки и техники (CODATA) Международного совета научных союзов.


Создание естественной системы эталонов

является доминирующим направлением современной метрологии. Рекомендации Консультативного комитета по электричеству Международного бюро мер и весов определяют поддержание единиц основных электрические и магнитных величин на основе макроскопических квантовых явлений, а выражение размеров поддерживаемых единиц в единицах СИ (то есть, по сути, - воспроизведение единиц) - на основе фундаментальных физических констант (1990 г.). Определение метра, секунды и герца уже давно основано на естественных (квантовых) явлениях и фиксированном значении скорости света. Одно из возможных направлений дальнейшего развития в этой области – перенос основного эталона (и связанного с ним определения) в оптическую область. Эксперименты по определению постоянной Ридберга являются одним из главных тестов частотной цепочки, передающий размер единицы (герца) из радиочастотного диапазона в оптический. В частности, одна из возможностей для будущего – определение герца, секунды и метра на основе постоянной Ридберга.


Ограничения на возможность изменения фундаментальных констант со временем

Изменяются ли “константы” со временем? В настоящее время не существует никаких разумных оценок из первых принципов на возможные изменения значений фундаментальных физических констант со временем. При времени жизни нашей Вселенной около 1010 лет относительные годовые изменения на уровне 10-15 не могут быть запрещены a priori. Исследования сверхтонкого расщепления и перехода 1s-2s в атоме водорода могут дать наиболее надежные лабораторные ограничения на возможные изменения констант на этом уровне. С другой стороны, сверхтонкого расщепления в водороде также является и неотъемлемой частью астрофизических исследований возможных изменений фундаментальных констант. Обзор результатов и возможных поисков приведен в трудах конферении

 
  • S. G. Karshenboim and E. Peik. Astrophysics, Clocks and Fundamental Constants. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2004.
и в работах:
 
  • S. G. Karshenboim. Some possibilities for laboratory searches for variations of fundamental constants. Canadian Journal of Physics 78 (2000) 639-678. Электронный препринт: physics/0008051.
  • S. G. Karshenboim. Precision optical measurements and fundamental constants. In  Laser Physics at the Limits, ed. by H. Figger, D. Meschede and C. Zimmermann (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2001) pp. 165-176.
  • E. Peik, B. Lipphardt, H. Schnatz, T. Schneider, Chr. Tamm, S. G. Karshenboim. New limit on the present temporal variation of the fine structure constant. Phys. Rev. Lett. 93, 170801 (2004). Электронный препринт: physics/0402132.
  • S. G. Karshenboim, V. Flambaum, E. Peik, Atomic Clocks and Constraints on Variations of Fundamental Constants. physics/0410074.

Последняя модификация: 06 декабря 2005 г. (С. Г. Каршенбойм)