Когато след Втората световна война се разработва квантовата електродинамика - квантовата теория на полето на електроните и фотоните - едно от основните предизвикателства пред теоретиците е да изчислят стойността на отместването на Ламб - енергията на фотона, която се получава при преминаването на електрон от едно хиперфино енергийно ниво на водорода в друго.
Ефектът е открит за първи път от Уилис Ламб (Willis Lamb) и Робърт Ретърфорд (Robert Retherford) през 1947 г., като излъченият фотон е с честота 1000 мегахерца, което съответства на дължина на вълната на фотона 30 см и енергия 4 милионни части от електронволта - точно в долния край на микровълновия спектър. Това се случи, когато единият електрон на водородния атом премина от енергийно ниво 2P1/2 в ниво 2S1/2. (Най-лявото число е главното квантово число, подобно на дискретните, но нарастващи кръгови орбити на атома на Бор).
Модел на атом на Бор. Кредит: Wikimedia Commons
Най-ниските енергийни нива във водородния атом от теориите на Бор, Зомерфелд и Дирак. Кредит: Wikimedia Commons
Конвенционалната квантова механика нямаше такива преходи, а релативистичното уравнение на Шрьодингер на Дирак (естествено наречено уравнение на Дирак) също нямаше такъв хиперфин преход, защото преместването е следствие от взаимодействието с вакуума, а вакуумът на Дирак бе "море", което не взаимодейства с реални частици.
Тъй като теоретиците се опитаваха да създадат работеща теория на квантовата електродинамика ( QED - quantum electrodynamics), предсказването на отместването на Ламб бе отлично предизвикателство, тъй като изчисленията на QED съдържат известни недъзи на теорията, като разходящи интеграли при ниски и високи енергии и точки на сингулярност.
На 65-ия рожден ден на Ламб през 1978 г. Фриймън Дайсън (Freeman Dyson) му казва:
"Тези години, когато отместването на Ламб (Lamb shift) беше централна тема на физиката, бяха златни години за всички физици от моето поколение. Вие бяхте първият, който видя, че тази малка промяна, толкова неуловима и трудна за измерване, ще изясни мисленето ни за частиците и полетата."
Точното предсказване на отместването на Ламб, както и на аномалния магнитен момент на електрона, е предизвикателство за теоретиците от всяко поколение насам. Теоретично предсказаната стойност на отместването позволява константата на фината структура да бъде измерена с неопределеност, по-малка от една част на милион.
Сега в списание Physical Review Letters група от трима учени от Института за ядрена физика "Макс Планк" в Германия публикува нова стъпка в развитието на изчисленията на отместването на Ламб. По-точно, те са изчислили " двуконтурната" собствена енергия на електрона.
Собствената енергия е енергията, която дадена частица (тук електрон) притежава в резултат на промените, които предизвиква в своята среда. Например електронът във водородния атом привлича протона, който е ядрото, така че ефективното разстояние между тях се променя.
В QED има предписание за изчисляване на собствената енергия и това става най-лесно чрез диаграмите на Файнман. " Двата контура" се отнасят до диаграмите на Файнман, които описват този квантов процес - два виртуални фотона от квантовия вакуум, които влияят върху поведението на електрона. Те се появяват от вакуума, остават по-кратко време, отколкото е определено от принципа на неопределеност на Хайзенберг, след което се поглъщат от състоянието на електрона 1S, който има спин 1/2.
Отчитането на двуконтурната собствена енергия е един от само трите математически термина, които описват отместването на Ламб, но той представлява важен проблем, който в най-голяма степен влияе на резултата за отместването на енергията на Ламб.
Водещият автор Владимир Ерохин (Vladimir Yerokhin) и колегите му определят повишена точност за него от числени изследвания. Важно е да се отбележи, че те са изчислили двуконтурната корекция до всички порядъци във важния параметър Zα, който представя взаимодействието с ядрото. (Z е атомният номер на ядрото. Атомът все още има само един електрон, но за по-голяма общовалидност е включено ядро, по-голямо от това на водорода. α е константата на фината структура.)
Въпреки че е било изчислително предизвикателство, тримата физици са постигнали значително подобрение на предишните двуконтурни изчисления на собствената енергия на електрона, което намалява отместването на 1S-2S на Ламб във водорода с разлика в честотите от 2,5 kHz и намалява теоретичната му неопределеност. По-специално, това намалява стойността на константата на Ридберг с една част на трилион.
Въведено от шведския спектроскопист Йоханес Ридберг през 1890 г., това число се появява в прости уравнения за спектралните линии на водорода. Константата на Ридберг е фундаментална константа, която е една от най-точно известните константи във физиката, съдържаща 12 значещи цифри, като преди това относителната неопределеност е била около две части на трилион.
Като цяло, пишат авторите, "изчислителният подход, разработен в това изложение, ни позволи да подобрим числената точност на този ефект с повече от един порядък и да разширим изчисленията до по-ниски ядрени заряди [Z], отколкото беше възможно преди това". Това, от своя страна, се отразява на константата на Ридберг.
Тяхната методология има последствия и за други известни QED изчисления: други двуконтурни корекции на отместването на Ламб и особено на двуконтурните QED ефекти за аномалния магнитен момент на електрона и мюона, наричани още "g-фактори". Понастоящем се полагат много експериментални усилия за точното определяне на g-фактора на мюона, като например експеримента Muon g-2 във Фермилаб, тъй като той може да посочи пътя към физиката извън Стандартния модел.
Справка: V. A. Yerokhin et al, Two-Loop Electron Self-Energy for Low Nuclear Charges, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.251803
Източник: A new calculation of the electron's self-energy improves determination of fundamental constants, David Appell, Phys.org
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари