Precisionstester av QED

Kvantelektrodynamik ( QED ), en relativistisk kvantfältteori för elektrodynamik, är bland de mest strängt testade teorierna inom fysik . De mest exakta och specifika testerna av QED består av mätningar av den elektromagnetiska finstrukturkonstanten α , i olika fysiska system. Att kontrollera konsistensen av sådana mätningar testar teorin.

Tester av en teori utförs normalt genom att jämföra experimentella resultat med teoretiska förutsägelser. I QED finns det en viss subtilitet i denna jämförelse, eftersom teoretiska förutsägelser kräver som input ett extremt exakt värde på α , som endast kan erhållas från ett annat precisions-QED-experiment. På grund av detta citeras jämförelserna mellan teori och experiment vanligtvis som oberoende bestämningar av α . QED bekräftas sedan till den grad att dessa mätningar av α från olika fysiska källor överensstämmer med varandra.

Överenskommelsen som hittats på detta sätt är inom tio delar av en miljard (10 ⁻⁸ ), baserat på jämförelsen av det elektronanomala magnetiska dipolmomentet och Rydberg-konstanten från atomrekylmätningar som beskrivs nedan. Detta gör QED till en av de mest exakta fysikaliska teorierna som konstruerats hittills.

Förutom dessa oberoende mätningar av finstrukturkonstanten har många andra förutsägelser av QED också testats.

Mätningar av finstrukturkonstanten med olika system

Precisionstester av QED har utförts i atomfysikexperiment med låg energi, kolliderexperiment med hög energi och system med kondenserad materia . Värdet på α erhålls i vart och ett av dessa experiment genom att anpassa en experimentell mätning till ett teoretiskt uttryck (inklusive strålningskorrigeringar av högre ordning ) som inkluderar α som en parameter. Osäkerheten i det extraherade värdet av α inkluderar både experimentella och teoretiska osäkerheter. Detta program kräver alltså både högprecisionsmätningar och teoretiska beräkningar med hög precision. Om inget annat anges är alla resultat nedan hämtade från.

Lågenergimätningar

Anomala magnetiska dipolmoment

Den mest exakta mätningen av α kommer från det anomala magnetiska dipolmomentet , eller g −2 (uttalas "g minus 2"), av elektronen . För att göra denna mätning behövs två ingredienser:

1. En exakt mätning av det anomala magnetiska dipolmomentet, och
2. En exakt teoretisk beräkning av det anomala magnetiska dipolmomentet i termer av α .

Från och med februari 2007 gjordes den bästa mätningen av det avvikande magnetiska dipolmomentet hos elektronen av gruppen Gerald Gabrielse vid Harvard University , med hjälp av en enda elektron fångad i en Penning-fälla . Skillnaden mellan elektronens cyklotronfrekvens och dess spinprecessionsfrekvens i ett magnetfält är proportionell mot g −2. En extremt hög precisionsmätning av de kvantiserade energierna i cyklotronbanorna, eller Landau-nivåerna , för elektronen, jämfört med de kvantiserade energierna för elektronens två möjliga spinnorienteringar , ger ett värde för elektronens g -faktor :

g /2 = 1,001 159 652 180 85 (76) ,

en precision bättre än en del på en biljon. (Siffrorna inom parentes indikerar standardosäkerheten i de senast listade siffrorna i mätningen.)

Den aktuella teoretiska beräkningen av elektronens anomala magnetiska dipolmoment inkluderar QED-diagram med upp till fyra slingor. Att kombinera detta med den experimentella mätningen av g ger det mest exakta värdet av α :

α ⁻¹ = 137,035 999 070 (98) ,

en precision på bättre än en del i en miljard. Denna osäkerhet är tio gånger mindre än den närmast konkurrerande metoden som involverar atomrekylmätningar.

Ett värde på α kan också extraheras från myonens anomala magnetiska dipolmoment . Myonens g -faktor extraheras med samma fysikaliska princip som för elektronen ovan – nämligen att skillnaden mellan cyklotronfrekvensen och spinprecessionsfrekvensen i ett magnetfält är proportionell mot g −2 . Den mest exakta mätningen kommer från Brookhaven National Laboratorys myon g−2-experiment, där polariserade myoner lagras i en cyklotron och deras spinnorientering mäts i riktningen för deras sönderfallselektroner. Från och med februari 2007 är den nuvarande genomsnittliga muon g -faktormätningen i världen,

g /2 = 1,001 165 9208 (6) ,

en precision på bättre än en del på en miljard. Skillnaden mellan g -faktorerna för myonen och elektronen beror på deras skillnad i massa. På grund av myonens större massa är bidragen till den teoretiska beräkningen av dess onormala magnetiska dipolmoment från standardmodellens svaga interaktioner och från bidrag som involverar hadroner viktiga vid den aktuella precisionsnivån, medan dessa effekter inte är viktiga för elektronen. Myonens anomala magnetiska dipolmoment är också känsligt för bidrag från ny fysik bortom standardmodellen, såsom supersymmetri . Av denna anledning används myonens anomala magnetiska moment normalt som en sond för ny fysik bortom standardmodellen snarare än som ett test av QED. Se muon g –2 för aktuella insatser för att förfina mätningen.

Atom-rekylmätningar

Detta är en indirekt metod för att mäta α , baserad på mätningar av elektronens massor, vissa atomer och Rydberg-konstanten . Rydbergskonstanten är känd för sju delar på en biljon. Elektronens massa i förhållande till cesium- och rubidiumatomerna är också känd med extremt hög precision. Om elektronens massa kan mätas med tillräckligt hög precision, så α hittas från Rydbergskonstanten enl.

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

För att få fram elektronens massa mäter denna metod faktiskt massan av en ⁸⁷ Rb -atom genom att mäta atomens rekylhastighet efter att den avger en foton med känd våglängd i en atomövergång. Om man kombinerar detta med förhållandet mellan elektron och ^{87 Rb-atom,} blir resultatet för α ,

α ⁻¹ = 137,035 998 78 (91) .

Eftersom denna mätning är den näst mest exakta efter mätningen av α från elektronens anomala magnetiska dipolmoment som beskrivs ovan, ger deras jämförelse det mest stränga testet av QED: värdet på α som erhålls här ligger inom en standardavvikelse från det som hittats från elektronens anomala magnetiska dipolmoment, en överenskommelse inom tio delar av en miljard.

Neutron Compton våglängd

Denna metod för att mäta α är i princip mycket lik atom-rekylmetoden. I detta fall används det exakt kända massförhållandet mellan elektronen och neutronen . Neutronmassan mäts med hög precision genom en mycket exakt mätning av dess Compton-våglängd . Detta kombineras sedan med värdet på Rydberg-konstanten för att extrahera α . Resultatet är,

α ⁻¹ = 137,036 0101 (54) .

Hyperfin klyvning

Hyperfin splitting är en splittring i en atoms energinivåer som orsakas av interaktionen mellan kärnans magnetiska moment och elektronens kombinerade spinn och orbitala magnetiska moment . Den hyperfina klyvningen i väte , mätt med Ramseys vätemaser , är känd med stor precision. Tyvärr begränsar påverkan av protonens inre struktur hur exakt uppdelningen kan förutsägas teoretiskt. Detta leder till att det extraherade värdet av α domineras av teoretisk osäkerhet:

α ⁻¹ = 137,0360(3) .

Den hyperfina uppdelningen i muonium , en "atom" som består av en elektron och en antimuon, ger en mer exakt mätning av α eftersom muonen inte har någon inre struktur:

α ⁻¹ = 137,035 994 (18) .

Lammskifte

Lammskiftet är en liten skillnad i energierna för 2 S _1/2 och 2 P _1/2 energinivåerna för väte, som uppstår från en enslingaeffekt i kvantelektrodynamiken. Lammskiftet är proportionellt mot α ⁵ och dess mätning ger det extraherade värdet:

α ⁻¹ = 137,0368(7) .

Positronium

Positronium är en "atom" som består av en elektron och en positron . Medan beräkningen av energinivåerna för vanligt väte är förorenad av teoretiska osäkerheter från protonens inre struktur, har partiklarna som utgör positronium ingen inre struktur så exakta teoretiska beräkningar kan göras. Mätningen av uppdelningen mellan 2 ³ S ₁ och 1 ³ S ₁ energinivåerna för positroniumutbyten

α ⁻¹ = 137,034(16) .

₀ Mätningar av α kan också extraheras från positroniumavklingningshastigheten. Positronium sönderfaller genom förintelsen av elektronen och positronen till två eller flera gammastrålefotoner . Sönderfallshastigheten för singletten ("para-positronium") ¹ S -tillstånd ger

α ⁻¹ = 137,00(6) ,

och sönderfallshastigheten för tripletten ("orto-positronium" ) ^3S1 - _{tillståndsutbyten}

α ⁻¹ = 136,971(6) .

Detta sista resultat är den enda allvarliga avvikelsen bland siffrorna som ges här, men det finns vissa bevis för att oberäknade kvantkorrigeringar av högre ordning ger en stor korrigering av det värde som anges här.

Högenergi-QED-processer

Tvärsnitten av högre ordningens QED-reaktioner vid högenergielektron-positronkolliderar ger en bestämning av α . För att jämföra det extraherade värdet av α med lågenergiresultaten, måste högre ordningens QED-effekter inklusive körning av α på grund av vakuumpolarisation tas med i beräkningen. Dessa experiment uppnår vanligtvis endast procentuell noggrannhet, men deras resultat överensstämmer med de exakta mätningarna som är tillgängliga vid lägre energier.

Tvärsnittet för $e^{+}e^{-}\to e^{+}e^{-}e^{+}e^{ -}$ ger

α ⁻¹ = 136,5(2,7) ,

och tvärsnittet för $e^{+}e^{-}\to e^{+}e^{-}\mu ^{+}\ mu ^{-}$ ger

α ⁻¹ = 139,9(1,2) .

System för kondenserad materia

Kvant -Hall-effekten och AC Josephson-effekten är exotiska kvantinterferensfenomen i system med kondenserad materia. Dessa två effekter ger en standard elektrisk resistans respektive en standardfrekvens , som mäter elektronens laddning med korrigeringar som är strikt noll för makroskopiska system.

Kvant Hall-effekten ger

α ⁻¹ = 137,035 9979 (32) ,

och AC Josephson-effekten ger

α ⁻¹ = 137,035 9770 (77) .

Andra tester

• QED förutspår att fotonen är en masslös partikel . En mängd mycket känsliga tester har visat att fotonmassan antingen är noll eller utomordentligt liten. En typ av dessa tester fungerar till exempel genom att kontrollera Coulombs lag med hög noggrannhet, eftersom fotonens massa skulle vara lik noll om Coulombs lag modifierades. Se Photon § Experimentella kontroller av fotonmassa .
• QED förutspår att när elektroner kommer väldigt nära varandra beter de sig som om de hade en högre elektrisk laddning, på grund av vakuumpolarisering . Denna förutsägelse verifierades experimentellt 1997 med hjälp av TRISTAN- partikelacceleratorn i Japan.
• QED-effekter som vakuumpolarisering och självenergi påverkar elektronerna bundna till en kärna i en tung atom på grund av extrema elektromagnetiska fält. Ett nyligen genomfört experiment på grundtillståndets hyperfindelning i ²⁰⁹ Bi ⁸⁰⁺ och ²⁰⁹ Bi ⁸²⁺ joner avslöjade en avvikelse från teorin med mer än 7 standardosäkerheter. Indikationer visar att denna avvikelse kan härröra från ett felaktigt värde på det nukleära magnetiska momentet på ²⁰⁹ Bi.

Se även

• QED vakuum
• Eötvös experiment , ett annat mycket hög noggrannhetstest, av gravitation

externa länkar

• Partikeldatagrupp (PDG)
• PDG granskning av Muon Anomalous Magnetic Moment från och med juli 2007
• PDG 2007 Lista över partikelegenskaper för elektron
• PDG 2007 Lista över partikelegenskaper för myon