Прецизионные испытания QED

Квантовая электродинамика ( КЭД ), релятивистская квантовая теория поля в электродинамике, является одной из наиболее тщательно проверяемых теорий в физике . Наиболее точные и специфические тесты КЭД состоят из измерений электромагнитной тонкой структуры постоянной α в различных физических системах. Проверка последовательности таких измерений проверяет теорию.

Проверка теории обычно проводится путем сравнения экспериментальных результатов с теоретическими предсказаниями. В КЭД в этом сравнении есть некоторая тонкость, поскольку теоретические предсказания требуют в качестве входных данных чрезвычайно точного значения α , которое можно получить только из другого прецизионного эксперимента КЭД. По этой причине сравнения теории и эксперимента обычно рассматриваются как независимые определения α . Затем КЭД подтверждается в той степени, в которой эти измерения α из разных физических источников согласуются друг с другом.

Найденное таким образом согласие имеет точность в пределах десяти долей на миллиард (10 ⁻⁸ ), основанный на сравнении аномального электрона магнитного дипольного момента и постоянной Ридберга из измерений отдачи атома, как описано ниже. Это делает КЭД одной из наиболее точных физических теорий, созданных на данный момент.

Помимо этих независимых измерений постоянной тонкой структуры, были проверены и многие другие предсказания КЭД.

Измерения постоянной тонкой структуры с использованием различных систем

Прецизионные испытания КЭД проводились в экспериментах по атомной физике высоких энергий низких энергий, экспериментах на коллайдерах и конденсированного состояния системах . Значение α получается в каждом из этих экспериментов путем подгонки экспериментального измерения к теоретическому выражению (включая радиационные поправки более высокого порядка ), которое включает α в качестве параметра. Неопределенность извлеченного значения α включает как экспериментальные, так и теоретические неопределенности. Таким образом, эта программа требует как высокоточных измерений, так и высокоточных теоретических расчетов. Если не указано иное, все приведенные ниже результаты взяты из.

Низкоэнергетические измерения

Аномальные магнитные дипольные моменты

Наиболее точное измерение α происходит по аномальному магнитному дипольному моменту или g -2 (произносится как «g минус 2») электрона . Для проведения этого измерения необходимы два ингредиента:

1. Точное измерение аномального магнитного дипольного момента и
2. Точный теоретический расчет аномального магнитного дипольного момента в терминах α .

По состоянию на февраль 2007 года лучшее измерение аномального магнитного дипольного момента электрона было произведено группой Джеральда Габриэльса из Гарвардского университета с использованием одиночного электрона, пойманного в ловушку Пеннинга . Разница между циклотронной частотой электрона и частотой его прецессии спина в магнитном поле пропорциональна g -2. Чрезвычайно высокоточное измерение квантованных энергий циклотронных орбит или уровней Ландау электрона по сравнению с квантованными энергиями двух возможных ориентаций спина электрона дает значение g -фактора спина электрона :

г /2 = 1,001 159 652 180 59 (13) ,

точность лучше одной триллионной. (Цифры в скобках обозначают стандартную неопределенность последних цифр измерения.)

Современный теоретический расчет аномального магнитного дипольного момента электрона включает диаграммы КЭД, содержащие до четырех петель. Сочетание этого с экспериментальным измерением g дает наиболее точное значение α :

а ⁻¹ = 137.035 999 166 (15) ,

точность лучше, чем одна миллиардная. Эта неопределенность в десять раз меньше, чем у ближайшего конкурирующего метода, включающего измерения отдачи атомов.

Значение α можно также извлечь из аномального магнитного дипольного момента мюона . G - фактор мюона извлекается с использованием того же физического принципа, что и для электрона, описанного выше, а именно, что разница между циклотронной частотой и частотой прецессии спина в магнитном поле пропорциональна g -2. Наиболее точные измерения получены в Брукхейвенской национальной лаборатории . эксперименте мюона g-2 в котором поляризованные мюоны хранятся в циклотроне, а их спиновая ориентация измеряется по направлению их электронов распада. По состоянию на февраль 2007 года текущее среднее значение g -фактора мюонов в мире составляет:

г /2 = 1,001 165 9208 (6) ,

точность лучше одной миллиардной. Разница между g -факторами мюона и электрона обусловлена ​​разницей их масс. Из-за большей массы мюона вклад в теоретический расчет его аномального магнитного дипольного момента от Стандартной модели слабых взаимодействий и вкладов с участием адронов важен на современном уровне точности, тогда как эти эффекты не важны для электрона. Аномальный магнитный дипольный момент мюона также чувствителен к вкладам новой физики за пределами Стандартной модели , такой как суперсимметрия . По этой причине аномальный магнитный момент мюона обычно используется в качестве исследования новой физики за пределами Стандартной модели, а не как проверка КЭД. См. мюон g –2 , чтобы узнать о текущих усилиях по уточнению измерений.

Измерения отдачи атома

Это косвенный метод измерения α , основанный на измерении масс электрона, некоторых атомов и постоянной Ридберга . Константа Ридберга известна как семь частей на триллион. Масса электрона по отношению к массе атомов цезия и рубидия также известна с чрезвычайно высокой точностью. Если массу электрона можно измерить с достаточно высокой точностью, то α можно найти по постоянной Ридберга по формуле

$R_{\infty }={\frac {\alpha ^{2}m_{\text{e}}c}{4\pi \hbar }}.$

Чтобы получить массу электрона, этот метод фактически измеряет массу электрона. ⁸⁷ Атом Rb путем измерения скорости отдачи атома после того, как он испускает фотон известной длины волны при атомном переходе. Объединив это с соотношением электронов к ⁸⁷ Атом Rb, результат для α :

а ⁻¹ = 137.035 998 78 (91) .

Поскольку это измерение является следующим по точности после измерения α по аномальному магнитному дипольному моменту электрона, описанному выше, их сравнение обеспечивает наиболее строгую проверку КЭД: полученное здесь значение α находится в пределах одного стандартного отклонения от значения, полученного из аномальный магнитный дипольный момент электрона, согласие с точностью до десяти долей на миллиард.

Длина волны Комптона нейтрона

Этот метод измерения α по принципу очень похож на метод отдачи атома. точно известное соотношение масс электрона и нейтрона В этом случае используется . Масса нейтрона измеряется с высокой точностью посредством очень точного измерения его комптоновской длины волны . Затем это значение объединяется со значением константы Ридберга для извлечения α . Результат:

а ⁻¹ = 137.036 0101 (54) .

Сверхтонкое расщепление

Сверхтонкое расщепление — это расщепление энергетических уровней атома, вызванное и совокупного спина взаимодействием магнитного момента ядра и орбитального магнитного момента электрона. Сверхтонкое расщепление водорода , измеренное с помощью Рамсея водородного мазера , известно с большой точностью. К сожалению, влияние внутренней структуры протона ограничивает точность теоретического предсказания расщепления. Это приводит к тому, что в извлеченном значении α преобладает теоретическая неопределенность:

а ⁻¹ = 137.0360(3) .

Сверхтонкое расщепление мюония , «атома», состоящего из электрона и антимюона, обеспечивает более точное измерение α, поскольку мюон не имеет внутренней структуры:

а ⁻¹ = 137.035 994 (18) .

Баранья смена

Лэмбовский сдвиг — это небольшая разница в энергиях энергетических уровней 2 S _1/2 и 2 P _1/2 водорода , возникающая в результате однопетлевого эффекта в квантовой электродинамике. Лэмбовский сдвиг пропорционален α ⁵ и его измерение дает извлеченное значение:

а ⁻¹ = 137.0368(7) .

Позитроний

Позитроний — это «атом», состоящий из электрона и позитрона . В то время как расчет энергетических уровней обычного водорода загрязнен теоретическими неопределенностями, связанными с внутренней структурой протона, частицы, составляющие позитроний, не имеют внутренней структуры, поэтому можно выполнить точные теоретические расчеты. Измерение разделения между 2 ³ С ₁ и 1 ³ S ₁ Энергетические уровни позитрония дают

а ⁻¹ = 137.034(16) .

Измерения α также можно извлечь из скорости распада позитрония. Позитроний распадается в результате аннигиляции электрона и позитрона на два или более гамма-излучения фотонов . Скорость распада синглета («парапозитрония») ¹ S ₀ Состояние дает выход

а ⁻¹ = 137.00(6) ,

и скорость распада триплета («орто-позитрония») ³ S ₁ Состояние дает выход

а ⁻¹ = 136.971(6) .

Этот последний результат является единственным серьезным расхождением между приведенными здесь числами, но есть некоторые свидетельства того, что невычисленные квантовые поправки более высокого порядка дают большую поправку к приведенному здесь значению.

Высокоэнергетические процессы КЭД

Сечения КЭД - реакций высших порядков на электрон-позитронных коллайдерах высоких энергий позволяют определить α . Чтобы сравнить полученное значение α эффекты КЭД более высокого порядка, включая движение α из-за поляризации вакуума с результатами при низких энергиях, необходимо принять во внимание . Эти эксперименты обычно достигают точности лишь на процентном уровне, но их результаты согласуются с точными измерениями, доступными при более низких энергиях.

Сечение e ⁺ и ⁻ → и ⁺ и ⁻ и ⁺ и ⁻ урожайность

а ⁻¹ = 136.5(2.7) ,

и сечение для e ⁺ и ⁻ → и ⁺ и ⁻ м ⁺ м ⁻ урожайность

а ⁻¹ = 139.9(1.2) .

Системы конденсированного состояния

Квантовый эффект Холла и — эффект Джозефсона экзотические явления квантовой интерференции в конденсированных системах. Эти два эффекта обеспечивают стандартное электрическое сопротивление и стандартную частоту соответственно, которые измеряют заряд электрона с поправками, строго равными нулю для макроскопических систем.

Квантовый эффект Холла дает

а ⁻¹ = 137.035 9979 (32) ,

и эффект AC Джозефсона дает

а ⁻¹ = 137.035 9770 (77) .

Другие тесты

• КЭД предсказывает, что фотон является безмассовой частицей . Множество высокочувствительных тестов доказали, что масса фотона либо равна нулю, либо чрезвычайно мала. Например, один из типов этих тестов заключается в проверке закона Кулона с высокой точностью, поскольку масса фотона была бы ненулевой, если бы закон Кулона был изменен. См. Фотон § Экспериментальные проверки массы фотона .
• КЭД предсказывает, что когда электроны приближаются очень близко друг к другу, они ведут себя так, как если бы у них был более высокий электрический заряд из-за поляризации вакуума . Это предсказание было экспериментально подтверждено в 1997 году с использованием ускорителя частиц TRISTAN в Японии.
• Эффекты КЭД, такие как поляризация вакуума и собственная энергия, влияют на электроны, связанные с ядром тяжелого атома, из-за сильных электромагнитных полей. Недавний эксперимент по сверхтонкому расщеплению основного состояния в ²⁰⁹ С ⁸⁰⁺ и ²⁰⁹ С ⁸²⁺ ионов выявило отклонение от теории более чем на 7 стандартных неопределенностей. Данные показывают, что это отклонение может быть вызвано неправильным значением ядерного магнитного момента ²⁰⁹ С а.

См. также

• Это пылесосит
• Эксперимент Этвёша , еще один очень точный тест гравитации.

Внешние ссылки

• Группа данных о частицах (PDG)
• Обзор PDG аномального магнитного момента мюона по состоянию на июль 2007 г.
• PDG 2007 Список свойств частиц электрона
• PDG 2007 Список свойств частиц мюона