Тесты на точность QED

редактировать

Проверка квантовой электродинамики с помощью нескольких измерений постоянной тонкой структуры

Квантовая электродинамика (QED ), релятивистская квантовая теория поля электродинамики, является одной из наиболее строго проверенных теорий в физике. Известно, что эту теорию преподавал Ричард Фейнман, она была описана как теория с уровнем элегантности, характерным для теории, представляющей фундаментальную истину.

Наиболее точные и специфические тесты QED состоят из измерений электромагнитной постоянной тонкой структуры, α в различных физических системах. Проверка согласованности таких измерений проверяет теорию.

Проверка теории обычно проводится путем сравнения экспериментальных результатов с теоретическими предсказаниями. В QED есть некоторая тонкость в этом сравнении, потому что теоретические прогнозы требуют в качестве входных данных чрезвычайно точного значения α, которое может быть получено только из другого прецизионного эксперимента QED. Из-за этого сравнения между теорией и экспериментом обычно цитируются как независимые определения α. Затем QED подтверждается в той степени, в которой эти измерения α из разных физических источников согласуются друг с другом.

Соглашение, найденное таким образом, находится в пределах десяти частей на миллиард (10) на основе сравнения аномального магнитного дипольного момента электрона и Константа Ридберга из измерений отдачи атома, как описано ниже. Это делает КЭД одной из наиболее точных физических теорий, построенных на данный момент.

Помимо этих независимых измерений постоянной тонкой структуры, были также проверены многие другие предсказания QED.

Содержание

1 Измерения постоянной тонкой структуры с использованием различных систем
- 1.1 Измерения низких энергий
  - 1.1.1 Аномальные магнитные дипольные моменты
  - 1.1.2 Измерения атомной отдачи
  - 1.1.3 Нейтронно-комптоновская длина волны
  - 1.1.4 Сверхтонкое расщепление
  - 1.1.5 Лэмбовский сдвиг
  - 1.1.6 Позитроний
- 1.2 Процессы КЭД с высокой энергией
- 1.3 Системы конденсированного состояния
2 Другие испытания
3 См. Также
4 Ссылки
5 Внешние ссылки

Измерения постоянной тонкой структуры с использованием различных систем

Прецизионные испытания QED были выполнены в низкоэнергетических эксперименты по атомной физике, эксперименты на коллайдере высоких энергий и системы с конденсированным веществом. Значение α получается в каждом из этих экспериментов путем подгонки экспериментального измерения к теоретическому выражению (включая поправки на излучение более высокого порядка ), которое включает α в качестве параметра. Неопределенность в извлеченном значении 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 результаты ниже взяты из.

Измерения низких энергий

Аномальные магнитные дипольные моменты

Наиболее точное измерение α происходит с помощью аномальных магнитный дипольный момент, или г -2 («г минус 2»), электрона. Для проведения этого измерения необходимы два ингредиента:

точное измерение аномального магнитного дипольного момента и
точный теоретический расчет аномального магнитного дипольного момента в единицах α.

По состоянию на В феврале 2007 г. лучшее измерение аномального магнитного дипольного момента электрона было выполнено группой Джеральда Габриэлса в Гарвардском университете с использованием одного электрона, пойманного в Пеннинга. ловушка. 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 для спина электрона g-фактор :

г / 2 = 1,00115965218085 (76),

точность лучше одной триллионной доли. (Цифры в скобках указывают на стандартную погрешность в последних перечисленных цифрах измерения.)

Текущий современный теоретический расчет аномального магнитного дипольного момента Электрон включает QED-диаграммы с количеством петель до четырех. Сочетание этого с экспериментальным измерением g дает наиболее точное значение α:

α = 137,035999070 (98),

точность лучше миллиардной. Эта погрешность в десять раз меньше, чем у ближайшего конкурирующего метода, включающего измерения отдачи атомов.

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

г / 2 = 1,0011659208 (6),

точность лучше одной миллиардной доли. Разница между g-факторами мюона и электрона обусловлена их разницей в массе. Из-за большей массы мюона вклад в теоретический расчет его аномального магнитного дипольного момента из Стандартной модели слабых взаимодействий и вкладов с участием адронов важен на текущий уровень точности, тогда как эти эффекты не важны для электрона. Аномальный магнитный дипольный момент мюона также чувствителен к вкладу новой физики , выходящей за рамки Стандартной модели, такой как суперсимметрия. По этой причине аномальный магнитный момент мюона обычно используется как проба для новой физики за пределами Стандартной модели, а не как проверка КЭД. См. мюон g – 2 для получения информации о текущих усилиях по уточнению измерений.

Измерение отдачи атомов

Это косвенный метод измерения α, основанный на измерениях масс электрона, определенных атомов и постоянной Ридберга. Постоянная Ридберга известна с точностью до семи триллионов частей. Масса электрона относительно массы атомов цезия и рубидия также известна с чрезвычайно высокой точностью. Если массу электрона можно измерить с достаточно высокой точностью, то α можно найти из постоянной Ридберга согласно

R ∞ = α 2 m e c 4 π ℏ. {\ displaystyle R _ {\ infty} = {\ frac {\ alpha ^ {2} m _ {\ text {e}} c} {4 \ pi \ hbar}}.}

{\ displaystyle R _ {\ infty} = {\ frac {\ alpha ^ {2} m _ {\ text {e} } c} {4 \ pi \ hbar}}.}

Чтобы получить массу электрона, этот метод фактически измеряет массу атома Rb путем измерения скорости отдачи атома после того, как он испускает фотон с известной длиной волны в атомном переходе. Комбинируя это с отношением электрона к атому Rb, получаем результат для α:

α = 137,035 998 78 (91).

Поскольку это измерение является следующим по точности измерением после измерения α по электронному с описанным выше аномальным магнитным дипольным моментом, их сравнение обеспечивает наиболее строгий тест QED, который прошел с честью: полученное здесь значение α находится в пределах одного стандартного отклонения от значения, найденного на основе аномального магнитного дипольного момента электрона, согласие с точностью до десять частей на миллиард.

Нейтронная комптоновская длина волны

Этот метод измерения α очень похож в принципе на метод атомной отдачи. В этом случае используется точно известное отношение масс электрона к нейтрону. Масса нейтрона измеряется с высокой точностью посредством очень точного измерения его комптоновской длины волны. Затем это объединяется со значением постоянной Ридберга для извлечения α. В результате

α = 137,036 010 1 (5 4).

Сверхтонкое расщепление

Сверхтонкое расщепление - это расщепление энергетических уровней атома, вызванное взаимодействием между магнитным моментом ядра ядра и комбинированным спином и орбитальным магнитным моментом электрона. Сверхтонкое расщепление в водороде, измеренное с помощью водородного мазера Рамси, известно с большой точностью. К сожалению, влияние внутренней структуры протона ограничивает то, насколько точно расщепление может быть предсказано теоретически. Это приводит к тому, что в извлеченном значении α преобладает теоретическая неопределенность:

α = 137,036 0 (3).

Сверхтонкое расщепление в мюонии, «атоме», состоящем из электрона и антимюона, обеспечивает более точное измерение α, поскольку мюон не имеет внутренней структуры:

α = 137,035 994 (18).

Лэмбовский сдвиг

Лэмбовский сдвиг небольшая разница в энергиях энергетических уровней 2 S 1/2 и 2 P 1/2 водорода, которая возникает в результате однопетлевого эффекта в квантовая электродинамика. Лэмбовский сдвиг пропорционален α, и его измерение дает извлеченное значение:

α = 137,036 8 (7).

Позитроний

Позитроний - это «атом», состоящий из электрона и позитрон. В то время как расчет уровней энергии обычного водорода загрязнен теоретическими неопределенностями, связанными с внутренней структурой протона, частицы, составляющие позитроний, не имеют внутренней структуры, поэтому могут быть выполнены точные теоретические расчеты. Измерение расщепления между энергетическими уровнями позитрония 2 S 1 и 1 S 1 дает

α = 137,034 (16).

Измерения α также могут быть извлеченным из скорости распада позитрония. Позитроний распадается в результате аннигиляции электрона и позитрона на два или более гамма-квантов. Скорость распада синглетного («пара-позитрония») состояния S 0 дает

α = 137,00 (6),

и скорость распада триплета («ортопозитрония») Состояние S 1 дает

α = 136,971 (6).

Этот последний результат - единственное серьезное несоответствие между приведенными здесь числами, но есть некоторые свидетельства того, что невычисленные квантовые поправки более высокого порядка дают большая поправка к приведенному здесь значению.

Процессы КЭД высоких энергий

сечения реакций КЭД более высокого порядка на электрон-позитронных коллайдерах высоких энергий позволяют определить α. Чтобы сравнить извлеченное значение α с результатами для низких энергий, необходимо учитывать эффекты QED более высокого порядка, включая движение α из-за поляризации вакуума. Эти эксперименты обычно достигают только процентной точности, но их результаты согласуются с точными измерениями, доступными при более низких энергиях.

Поперечное сечение для $e + e - → e + e - e + e - {\ displaystyle e ^ {+} e ^ {-} \ to e ^ {+} e ^ {- } e ^ {+} e ^ {-}}$ $e ^ {+} e ^ {-} \ to e ^ {+} e ^ {-} e ^ {+} e ^ {-}$ дает

α = 136,5 (2.7),

и сечение для $e + e - → e + e - μ + μ - {\ displaystyle e ^ {+} e ^ {-} \ to e ^ {+} e ^ {-} \ mu ^ {+} \ mu ^ {-}}$ $e ^ {+ } e ^ {-} \ to e ^ {+} e ^ {-} \ mu ^ {+} \ mu ^ {-}$ дает

α = 139,9 (1,2).

Системы конденсированного состояния

квантовый эффект Холла и AC эффект Джозефсона - экзотические явления квантовой интерференции в системах конденсированного состояния. Эти два эффекта обеспечивают стандартное электрическое сопротивление и стандартную частоту соответственно, которые, как полагают, измеряют заряд электрона с поправками, которые строго равны нулю для макроскопических систем.

Квантовый эффект Холла дает

α = 137.035 997 9 (3 2),

, а эффект Джозефсона AC дает

α = 137.035 977 0 (7 7).

Другое tests

QED предсказывает, что фотон является безмассовой частицей. Множество высокочувствительных тестов доказали, что масса фотона либо равна нулю, либо чрезвычайно мала. Один тип этих тестов, например, работает, проверяя закон Кулона с высокой точностью, поскольку масса фотона была бы отличной от нуля, если бы закон Кулона был изменен. См. Статью Фотон # Экспериментальные проверки массы фотона.
QED 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.
КЭД-эффекты, такие как поляризация вакуума и собственная энергия, влияют на электроны, связанные с ядром в тяжелом атоме из-за экстремальных электромагнитных полей. Недавний эксперимент по сверхтонкому расщеплению основного состояния в ионах Bi и Bi показал отклонение от теории более чем на 7 стандартных погрешностей. Показания показывают, что это отклонение может быть вызвано неправильным значением ядерного магнитного момента Bi.

См. Также

QED вакуум
эксперимент Этвёша, еще один тест с очень высокой точностью. гравитации

Ссылки

Внешние ссылки