Квантовую электродинамику проверили в мюонном неоне

Физики из США, Франции и Японии измерили частоты переходов между высоколежащими уровнями в мюонном неоне. Так называют связанную систему, состоящую из ядра неона и мюона. Выбранные учеными уровни были достаточно далеки, чтобы на проверку квантовой электродинамики в сильном кулоновском поле не влияли неопределенности размера ядра. Результаты расчетов оказались в хорошем согласии с теорией. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Прецизионная спектроскопия водородоподобных атомов позволяет проверять поправки квантовой электродинамики к энергиям атомных уровней. Сама квантовая электродинамика при этом дает довольно точные предсказания. Например, в случае перехода 1S-2S атома водорода точность теории составляет примерно три миллионные части, а эксперимента — одну миллиардную часть. Подробнее про спектроскопию водородоподобных атомов читайте в материале «Щель в доспехах».

Один из процессов, влияющий на энергию электрона, — это краткосрочное превращение виртуального фотона в электрон-позитронную пару — он носит название поляризации вакуума. Вклады от поляризации вакуума тем ощутимее, чем сильнее электростатическое взаимодействие между ядром и лептоном, поэтому для обычного атома водорода они малы. Для того, чтобы исследовать квантовую электродинамику в режиме сильного поля физики используют многозарядные ионы, либо мюонные атомы. В последних электрон заменен на мюон, из-за чего лептон оказывается в 200 раз ближе к ядру.

Такума Окумура (Takuma Okumura) из Лаборатории атомной, молекулярной и оптической физики RIKEN и его коллеги из США, Франции и Японии выбрали второй путь. Они провели высокоточную рентгеновскую спектроскопию высоколежащих уровней мюонного неона. Результаты измерения оказались в хорошем согласии с предсказаниями квантовой электродинамики в сильном поле.

Спектроскопия мюонных атомов чаще всего ассоциируется с проблемой протонного радиуса: из-за того, что орбита мюона сильно меньше, чем у электрона, поправка на размер ядра имеет большую значимость. В материале «Щель в доспехах» мы рассказывали о противоречии между спектроскопическими данными, полученными на обычном и мюонном водороде.

В своей работе Окумура с коллегами, наоборот, старались дистанцироваться от влияния ядра из-за неточностей, которые несет его влияние. Для этого они измеряли частоты переходов 5g—4f и 5f—4d: в этом случае мюон, с одной стороны, достаточно далек от ядра, чтобы соответствующие ошибки были относительно малы, с другой стороны, достаточно близок к ядру, чтобы его кулоновское поле оставалось большим. Теоретические оценки показывают, что вклады поляризации вакуума для выбранных переходов достигает нескольких сотых долей процента от частоты.

Эксперимент проходил на ускорителе J-PARC, Япония. Пучки мюонов подавались на газовую мишень, состоящую из изотопов неона в естественной пропорции. В газе мюоны захватывались атомами и испытывали релаксацию, сопровождающуюся потерей атомом всех электронов в результате каскада оже-переходов, а также излучением рентгеновских квантов. Авторы измеряли последние с помощью сверхпроводящих рентгеновских калориметров с многопиксельным датчиком на краю перехода (transition-edge sensor). Для калибровки датчиков налету они подмешивали к сигналу рентгеновские линии хрома, кобальта и меди.

В выбранном диапазоне энергий физиков интересовал сигнал от переходов между уровнями с главными квантовыми числами мюона 5 и 4, а также 7 и 5. Последний позволил убедиться в полной электронной ионизации неона. Пик 5–4 не позволял различить тонкую структуру, вместо этого ученые подгоняли его форму с учетом трех компонент переходов 5g—4f и трех компонент переходов 5f—4d.

Это позволило точнее всего определить частоту наиболее интенсивной из них: перехода 5g_9/2−4f_7/2. Его энергия составила 6297,08±0,04(stat)±0,13(syst) электронвольта по результатам усреднения экспериментов при трех различных давлениях. Она оказалась в хорошем согласии с предсказанием квантовой электродинамики — 6297,26 электронвольта. В будущем с этой же целью авторы планируют исследовать 4—3-переходы в мюонном аргоне.

Ранее мы рассказывали про спектроскопию мюонного дейтерия — с ее помощью физики расширили загадку радиуса протона на другие ядра. А вот в мюонии — связанной системе электрона и антимюона — ядра нет, и проверка квантовой электродинамики свободна от соответствующих неопределенностей. Там ученые измерили лэмбовский сдвиг и сверхтонкое расщепление.