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
 
 
Квантовая электродинамика и простые атомы

Квантовая электродинамика (КЭД) – наука, описывающая взаимодействия лептонов (в частности, электронов и мюонов) с фотонами.

Особенностью лептонов является то, что они не подвержены сильным взаимодействиям. Справедливость квантовой электродинамики является бесспорной, однако, КЭД столь же бесспорно является неполной. Даже в случае чисто лептонных систем, например, при расчетах аномальных магнитных моментов электрона и мюона или различных свойств атомов мюония и позитрония возникают адронные промежуточные состояния, связанные с виртуальным рождением и аннигиляцией фотона в адроны. Появляются также вклады слабых взаимодействий. Квантовоэлектродинамическая теория оказывается эффективной лишь в том случае, когда необходимые свойства адрон-фотонного взаимодействия известны (например, из эксперимента). Учет слабых взаимодействий, аналогично электромагнитным эффектам, можно провести чисто теоретически.



Другая проблема возникает при расчетах для более привычных атомов, таких как водород, дейтерий или ион гелия. С самого начала оказывается, что атом имеет ядро, подверженное сильным взаимодействиям, и его характеристики, такие как магнитный момент, зарядовый и магнитный радиусы и структурные функции, невозможно рассчитать средствами квантовой электродинамики и, поэтому, необходимо исследовать экспериментально. Недостаточное знание таких характеристик может существенно ограничивать точность теоретических расчетов.

Важным обстоятельством является то, что ядро намного тяжелее электрона. Если в позитронии массы электрона и ядра совпадают, а в мюонии отношение масс составляет приблизительно 1/200, то в водороде это отношение равно 1/2000, в дейтерии - 1/4000, а в водородоподобных ионах еще меньше. Следует отметить, что поправки по этому параметру для лэмбовского сдвига - квадратичны. В результате, расчеты для таких систем сводятся, в значительной степени, к задаче дираковского электрона (с учетом всех квантовоэлектродинамических эффектов) во внешнем поле, причем при малых значениях заряда ядра Z атом является слабосвязанным. Именно это обстоятельство делает теорию водородоподобных атомов с сильновзаимодействующими ядрами возможной.


Еще одним важным элементом реальной физики простых атомов является то, что теория содержит несколько малых параметров и оказывается абсолютно невозможным получить какие бы то ни было точные выражения. В результате приходится использовать разложения по одному или нескольким малым параметрам. Асимптотическая природа квантовоэлектродинамического ряда оказывается неактуальной для практических вычислений, зато возникает серьезная проблема оценки точности расчетов. Формально теория имеет дело с погрешностями типа порядка, что абсолютно недопустимо с практической точки зрения, когда необходимы килогерцы и электрон-вольты.

Проблема поправок старших порядков оказывается, таким образом, ключевой проблемой. По нашему мнению, одним из перспективных путей оценки таких вкладов является вычисление так называемых ведущих логарифмических поправок.


Все эти проблемы превращают реальную физику простых атомов из стерильной теории в живую науку, находящую приложения к различным задачам далеко за пределами лептон-фотонного взаимодействия, например, к структуре протона и дейтрона.

Обзор современных успехов и проблем прецизионной физики простых атомных систем может быть найден в
 
  • 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. Precise Physics of Simple Atoms. Atomic Physics 17 (AIP conference proceedings 551) Ed. by E. Arimondo et al. (AIP, 2001), pp. 238-253. Электронный препринт: 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).


Обзор квантовоэлектродинамической теории простых атомов может быть найден в
 

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