Прецизионная теория простых атомных систем и низкоэнергетические проверки квантовой электродинамики

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-12-01036

НазваниеПрецизионная теория простых атомных систем и низкоэнергетические проверки квантовой электродинамики

Руководитель Каршенбойм Савелий Григорьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-101 - Физика элементарных частиц

Ключевые слова квантовая электродинамика, фундаментальные константы, водородоподобные атомы, мюонные атомы, лептонные атомы, эффекты структуры ядра, прецизионные измерения

Код ГРНТИ29.05.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Квантовая электродинамика (КЭД), формализм, который описывает электромагнитные взаимодействия из первых принципов, является наиболее успешной квантовополевой теорией. КЭД имеет ряд приложений к разнообразным явлениям сама по себе и, одновременно, является моделью для вычислений в других теориях. Прецизионная физика простых атомных систем и, в некоторых случаях, свободных элементарных частиц, предоставляют уникальную возможность по приложениям квантовой электродинамики с высокой точностью. Сравнение теории с экспериментом позволяет определять значения фундаментальных физических постоянных, уточнять параметры частиц и ядер, проводить низкоэнергетические проверки квантовой электродинамики и, в частности, используемых в ней эффективных подходов, и получать ограничения на новую физику. Мы собираемся рассматривать атомы, содержащие мюон, и аномальный магнитный момент мюона. Особую актуальность проблеме придают следующие обстоятельства: недавно в PSI начали интенсивную программу измерений лэмбовского сдвига в легких мюонных атомах; имеется противоречие при определении зарядового радиуса протона из результатов в мюонном водороде (PSI) и других результатов; планируется новый эксперимент в Fermilab и J-PARC по измерению аномального магнитного момента мюона, при этом современный экспериментальный результат противоречит теории, и последняя также содержит внутренние разногласия, связанные с экспериментальными данными для вычисления адронного вклада; ведется предварительная подготовка к экспериментам по сверхтонкому расщеплению в мюонии (PSI и J-PARC). Мы будем исследовать легкие мюонные атомы и, в частности, лэмбовский сдвиг, тонкую структуру и сверхтонкое расщепление 2p уровней. Необходимо построить теорию, включающую все поправки порядка alpha^5m. Такие поправки крайне разнообразны. Особенностью нашего подхода является то, что, во-первых, мы вычисляем все типы поправок (как это, например, было сделано для мюонного водорода), и, во-вторых, есть определенные типы вкладов, которые можем вычислять только мы (или только у нас есть правильные результаты). К последним относятся вклады диаграмм типа рассеяния света на свете (вычисление вклада Вичмана-Кролла из первых принципов и вычисление вклада виртуального дельюрюковского рассеяния). Мы намерены обобщить наши результаты для мюонного водорода на другие изотопы водорода, изотопы гелия, лития и бериллия. Имеются три группы данных для вычислений вклада адронной поляризации вакуума в аномальный магнитный момент мюона. Существуют традиционные данные по электрон-позитронной аннигиляции на коллайдерах. Есть данные из распада тау-лептона и данные по процессам с излучением в начальном состоянии (ISR). Два последних метода имеют меньшую статистическую погрешность, однако имеется разброс данных. Так, использование разных моделей для описания нарушения изотопической инвариантности в распаде тау-лептона (M. Davier et al., M. Benayoun et al., F. Jegerlehner) приводит к подобному разбросу. Аналогична и ситуация с ISR данными разных коллабораций (KLOE, BaBar, BESIII). Мы намерены исследовать противоречие и найти адекватную оценку точности вычисления вклада адронной поляризации, который играет ключевую роль в сравнении теории и эксперимента. Сверхтонкое расщепление в мюонии – одна из наиболее теоретически "чистых" квантовоэлектродинамических величин. Она, тем не менее, включает адронные вклады. В настоящее время активизировалась подготовка экспериментов по уточнению этой величины (PSI, J-PARC). Точность вычисления адронных вкладов характеризует предел для проверок квантовой электродинамики с мюонием. Мы работаем над наиболее точным вычислением этой величины. С одной стороны, мы намерены уточнить ведущий вклад (аналогично вычислениям для аномального магнитного момента мюона), а с другой – найти вклады более высокого порядка.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Корзинин Е.Ю., Шелюто В.А., Иванов В.Г., Каршенбойм С.Г. Lamb shift and fine structure at n=2 in a hydrogenlike muonic atom with the nuclear spin I=0 Physical Review A, V. 97, P. 012514 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevA.97.012514

2. Шелюто В.А., Каршенбойм С.Г., Эйдельман С.И. Radiative corrections to the hadronic vacuum polarization contribution to the muonium hyperfine interval Physical Review D, V.97, P.053001 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevD.97.053001

3. Каршенбойм С.Г., Корзинин Е.Ю., Шелюто В.А., Иванов В.Г. The alpha (Z alpha)^5 m finite-nuclear-size contribution to the energy levels in light muonic atoms Physical Review A (год публикации - 2019)

4. Корзинин Е.Ю., Шелюто В.А., Иванов В.Г., Шафрон Р., Каршенбойм С.Г. Light-by-light scattering contributions to the Lamb shift in light muonic atoms Physical Review A (год публикации - 2019)

5. Анашин В.В. и др. Precise measurement of Ruds and R between 1.84 and 3.72 GeV at the KEDR detector (KEDR Collaboration) Physics Letters B, V.788. PP.42–51 (год публикации - 2019)
10.1016/j.physletb.2018.11.012

6. Баэ С. и др. First muon acceleration using a radio frequency accelerator Physical Review Accelerators and Beams, V/21, P.050101 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevAccelBeams.21.050101

7. Ким Б. и др. Development of a microchannel plate based beam profile monitor for a re-accelerated muon beam Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, V.A899, PP.22-27 (год публикации - 2018)
10.1016/j.nima.2018.05.014

8. Разуваев Г.П., Баэ С., Чои Х., Чои С., Ко Х.С., Ким Б., Китамура Р., Мибэ Т., Отани М. The low energy muon beam profile monitor for the muon g−2/EDM experiment at J-PARC Journal of Instrumentation, 12, C09001 (год публикации - 2017)
10.1088/1748-0221/12/09/C09001

Публикации