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
 
 
Прецизионная физика простых атомов

представляет собой  междисциплинарную область исследований, включающую различные элементы атомной физики, лазерной физики, ядерной физики, физики элементарных частиц, ускорительной физики, квантовой теории поля, квантовой механики, атомной спектроскопии и метрологии.


Специфика прецизионной физики простых атомных систем  заключается в том, что основной объект исследований – это атомы (простые атомы), что делает ее частью атомной физики, тогда как основной теоретический метод основан на квантовой электродинамике (квантовой теории поля), а прецизионный характер экспериментов предопределяет тесную связь с различными разделами метрологии. Это предопределяет междисциплинарный характер, который усиливается с учетом различным приложений и проблем, возникающих в связи с приготовлением спектроскопических источников (возбуждение, ионизация, искусственное синтез необычных атомов и т. д.), которые часто относятся к другим областям физики.
Как известно, спектроскопические измерения являются наиболее точными. Однако, только некоторые частоты переходов или вероятности распадов могут быть измерены с наивысшей точностью.

В атоме водорода и дейтерия – это сверхтонкое расщепление уровней 1s (основное состояние) и 2s (метастабильный уровень), частоты двухфотонных переходов уровней главной структуры: с основного (1s-2s, 1s-3s) и метастабильного (2s-ns и 2s-nd для n = 4, 6, 8, 10, 12) уровней, расщепление (), вызванное лэмбовским сдвигом, и тонкая структура (). Кроме того, возможны прямые измерения изотопического сдвига водород-дейтерий для перехода 1s-2s.

В мюонии наибольшей точности удается добиться, измеряя сверхтонкое расщепление основного состояния. Возможен некоторый прогресс в измерениях 1s-2s перехода в этом атоме. Исследуется также конверсия мюония в антимюоний, что позволяет получить некоторые прямые экспериментальные ограничения на возможное нарушение законов сохранения электронного и мюонного квантовых чисел.

В позитронии можно измерять как различные спектроскопические характеристики (интервал сверхтонкого расщепления основного состояния, частоту двухфотонного перехода 1S-2S и переходы между уровнями тонкой структуры ), так и различные величины, связанные с аннигиляцией позитрония. Удается определить времена жизни основных состояний ортопозитрония и парапозитрония, вероятности неосновных каналов распада (парапозитрония - в четыре фотона и ортопозитрония – в пять фотонов) и найти экспериментальные ограничения на запрещенные моды распада и моды с возможным участием неизвестных частиц.

В ионе гелия-3 измерены величины сверхтонкого расщепления уровней 1s и 2s, тогда как в ионе гелия-4 целью прецизионных экспериментов являются частоты переходов  (лэмбовский сдвиг) и 2s-3s (грубая структура).

В легких мюонных атомах измеряется сверхтонкое расщепление и 2s-2p (лэмбовский сдвиг).


Исследование водородоподобных атомов с
умеренными  значениями заряда ядра Z в некоторых случаях также может быть прецизионным. В частности, таким является исследование магнитного момента (или, вернее, g-фактора) связанного электрона в водородоподобного иона с бесспиновым ядром (напр.: углерод-12, кислород-16 и т.д.).
Целью наших исследований (см. публикации, препринты, научные интересы, проекты, сотрудничество) является прецизионная теория большинства из этих переходов. Кроме того, проводятся исследования, направленные на расчеты для свободных частиц (аномальный магнитный момент) и на решение задач, которые естественно возникают из внутренних потребностей теории простых атомов, основанной на квантовой электродинамике (КЭД). Отметим две из них:
    • развитие теории двухчастичных связанных состояний;
    • исследование поведения радиационных поправок в различных калибровках.


Квантовую электродинамику, которая используется для построения теории простых атомов, следует рассматривать как справедливую, но заведомо неполную теорию. Это определяется сразу несколькими обстоятельствами:
  • Результатом теоретических расчетов не может быть величина, непосредственно сравнимая с экспериментом. Теория лишь может выразить эту величину в терминах фундаментальных физических констант (постоянной тонкой структуры, постоянной Ридберга, массы электрона и т. д.).
  • Для получения результатов для реальных атомов, необходимо также знать различные свойства элементарных частиц и легких ядер (их массы, магнитные моменты, зарядовые радиусы и т. д.).

  • КЭД - это, в первую очередь, теория электромагниного взаимодействия лептонов (электронов и мюонов) и фотонов. Эффекты слабых и сильных взаимодействий - выходят за ее пределы и описываются феноменологически. Даже в случае чисто лептонных расчетов (сверхтонкое расщепление в мюонии, аномальный магнитный момент мюона) адроны возникают в промежуточных состояниях (напр., адронная поляризация вакуума). Для ее вычисления необходимо проводить измерения различных сечений рассеяния. Во ряде задач, как, например, в случае атома водорода, речь идет об электроне во `внешнем поле'. Мы понимаем это как внешнее поле источника, не описываемого квантовой электродинамикой. Его свойства определяются экспериментально. В этом и состоит принципиальная разница между лептонами и не-лептонами (адронами). первые описываются из первых принципов, а вторые - феноменологически. КЭД может лишь указать какими параметрами следует описать нелептоны, а значения этих параметров находится за пределами КЭД.


Необходимость независимого определения подобных величин из эксперимента и предопределяет с одной стороны неполноту КЭД, а с другой - ее тесную взаимосвязь с другими областями физики и метрологии и превращает прецизионную физику простых атомных систем в мощный инструмент широкого профиля. Связь между прецизионной физикой простых атомных систем и определением фундаментальных физических констант оказывается настолько тесной, что библиографическая база данных НИСТ по фундаментальным константам (NIST Fundamental Constants Bibliographic Search) оказывается удобным библиографическим путеводителем и для простых атомов. Современные проблемы как прецизионной физики простых атомов, так и ее приложений и смежных вопросов обсуждались на международных конференциях по Прецизионной физике простых атомных систем.


Обзор современного состояния дел может быть найден в трудах конференций
 
  • S. G. Karshenboim, F. S. Pavone, F. Bassani, M. Inguscio and T. W. Haensch. The Hydrogen Atom: Precision Physics of Simple Atomic Systems. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2001.
  • S. G. Karshenboim and V. B. Smirnov (Eds). Precision Physics of Simple Atomic Systems. Springer, Berlin, Heidelberg, 2003.

а также в обзорах:
 

  • 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. Precision spectroscopy of simple atoms and tests of the bound state QED. Laser Physics 11 (2001) 1083-1087. См. также: In MPLP’2000, Proceedings (Modern Problems of Laser Physics, Novosibirsk, 2000) pp. 52-61. Электронный препринт: 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.

Русская версия последнего из обзоров также доступна (русская и английская версии не совпадают).


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