Квантовая электродинамика (КЭД) является наиболее хорошо разработанной и детально протестированной теорией поля. В этом качестве она служит образцом для других квантовополевых моделей, а ее согласие с экспериментом - одним из важнейших аргументов в защиту Стандартной Модели. Совместные экспериментальные и теоретические исследования многозарядных ионов позволяют осуществить проверку КЭД в области сильной связи, где неприменимо разложение по параметру alpha Z (alpha - постоянная тонкой структуры, Z - заряд ядра).
Безразмерная характеристика магнитного момента - g-фактор - является одной из наиболее точно измеримых величин в квантовой физике. Сравнение теории и эксперимента для g-фактора свободного электрона с точностью порядка 10^{-13} позволяет с беспрецедентной точностью определять постоянную тонкой структуры и тестировать соответствующий сектор КЭД. В то же время, g-фактор связанного электрона в поле ядра открывает доступ к другим фундаментальным константам и ядерным параметрам. Так, совместные экспериментальные и теоретические исследования g-фактора легких водородоподобных ионов привели к наиболее точному на сегодня определению массы электрона. Проекты дальнейших исследований, которые позволят с высокой точностью независимо определять alpha и магнитные моменты ядер, а также тестировать КЭД в области сильной связи, требуют рассмотрения различных зарядовых состояний одного элемента: водородо-, литие- и боропдобных ионов.
Первые высокоточные измерения g-фактора с водородоподобным ионом, захваченным в магнитной ловушке, были выполнены в университете Майнца в Германии в 2000 году [Haeffner et al., Phys. Rev. Lett. 85, 5308 (2000)]. Более 10 лет спустя там же были проведены эксперименты для многоэлектронных систем - литиеподобных ионов кремния ^{28}Si^{11+} [Wagner et al., Phys. Rev. Lett. 110, 033003 (2013)] и кальция ^{40,48}Ca^{17+} [Koehler et al., Nat. Commun. 7, 10246 (2016)]. Одновременно с этим, в последние десятилетия интенсивно развивалась теория g-фактора многозарядных ионов. Нашей группой были получены наиболее точные на сегодняшний день теоретические значения для данных ионов [Glazov et al., Phys. Rev. Lett. 123, 173001 (2019); Kosheleva et al., arXiv:2201.00612], погрешность которых определяется недоступными пока двухпетлевыми диаграммами. В результате, представлено беспрецедентное по точности сравнение теории и эксперимента для многоэлектронных систем. В другом прецизионном эксперименте ALPHATRAP в Институте Макса Планка (Гейдельберг, Германия) были получены высокоточные значения $g$-фактора основного и первого возбужденного состояний бороподобного аргона [Arapoglou et al., Phys. Rev. Lett. 122, 253001 (2019); Egl et al., Phys. Rev. Lett. 123, 123001 (2019); Micke et al., Nature 578, 60 (2020)]. Здесь также достигнуто отличное согласие между экспериментом и теорией [Arapoglou et al., Phys. Rev. Lett. 122, 253001 (2019); Agababaev et al., X-Ray Spectrom. 49, 143 (2020)]. Это позволяет рассчитывать на успешное независимое определение alpha и ядерных магнитных моментов в предстоящих исследованиях.
Изомерное состояние ядра тория-229 с энергией возбуждения около 8 эВ предоставляет уникальные возможности для построения сверхточных часов на основе ядерного перехода, а также, например, для наблюдения вариаций фундаментальных констант и создания гамма-лазера. Одним из важнейших параметров, достаточно точное значение которого необходимо для реализации этих амбициозных проектов, является вероятность перехода или время жизни изомерного состояния. На сегодняшний день, для этой величины известны лишь оценки и косвенные экспериментальные данные с недостаточной точностью. В работе [Shabaev et al., Phys. Rev. Lett., in press (2022)] предложен новый сценарий для определения вероятности этого ядерного перехода с помощью измерения $g$-фактора основного состояния многозарядных ионов тория, основанный на эффекте ядерного сверхтонкого смешивания. Показано, что достигнутая на данный момент точность теории и эксперимента по g-фактору достаточна для определения вероятности ядерного перехода с точностью порядка 10^{-3}.
В рамках самых современных методов КЭД теории многозарядных ионов выполнены расчёты g-фактора и сверхтонкого расщепления в литиеподобных и бороподобных ионах. Получены наиболее точные на сегодняшний день теоретические значения g-фактора литиеподобных кремния и кальция, а их согласие с экспериментом демонстрирует наиболее строгую проверку многоэлектронных КЭД эффектов в многозарядных ионах. Отличное согласие с экспериментом также достигнуто для g-фактора бороподобного аргона, как для основного, так и для ближайшего возбуждённого состояния. В рамках метода конечного поля выполнены релятивистские расчёты квадратичного эффекта Зеемана и константы ядерного магнитного экранирования в гелиеподобных, литиеподобных и бороподобных ионах. В рамках приближения Борна-Оппенгеймера с помощью метода конечного базисного набора для двухцентрового уравнения Дирака получены энергии основного и нескольких возбуждённых состояний двухъядерных квазимолекул с одним и двумя электронами. Для бериллиеподобных ионов развита КЭД теория возмущений для квазивырожденных уровней. Получены высокоточные значения энергий основного и всех возбуждённых состояний с n=2 для бериллиеподобного ксенона (Z=54) и молибдена (Z=42). Развит метод вывода формул для КЭД диаграмм в системах с небольшим числом электронов и вакансий поверх замкнутых оболочек с использованием формализма переопределённого вакуума. Предложен новый сценарий для определения времени жизни изомерного состояния ядра тория-229 посредством измерения g-фактора многозарядных ионов тория, основанный на эффекте ядерного сверхтонкого смешивания.
Глазов Дмитрий Алексеевич, доцент, работал над всеми задачами проекта, в первую очередь, занимался расчётами различных вкладов в g-фактор.
Агабабаев Валентин Александрович, ассистент, занимался расчётами квадратичного эффекта Зеемана в бороподобных ионах.
Волотка Андрей Викторович, профессор, выполнял расчёты КЭД вкладов в g-фактор.
Волчкова Анна Михайловна, аспирант, занималась вычислением квадратичного эффекта Зеемана и ядерного магнитного экранирования методом конечного поля.
Зиненко Дмитрий Владимирович, аспирант, выполнял расчёты вкладов межэлектронного взаимодействия в g-фактор.
Котов Артем Артурович, аспирант, занимался развитием метода конечного базисного набора для двухцентрового уравнения Дирака.
Тряпицына Елизавета Владимировна, студент, занималась выводом формул для КЭД диаграмм в рамках формализма переопределённого вакуума.
Чудова Маргарита Михайловна, студент, выполняла расчёты КЭД вкладов для двухъядерных квазимолекул.
