Теоретическое исследование нерезонансных эффектов для прецизионных спектроскопических измерений частот переходов в атомах водорода и изотопах гелия: 2020 г. этап 1

Проект: исполнение гранта/договораисполнение этапа гранта/договора

Сведения о проекте

описание

В последнее десятилетие в связи с возросшей точностью прецизионных спектроскопических экспериментов по определению фундаментальных констант и новых атомных стандартов частоты возник особый интерес к нерезонансным эффектам в процессах рассеяния фотонов на атомах. До недавнего времени нерезонансные (НР) поправки к частотам атомных переходов по своей величине были ниже экспериментальной точности. В частности, для наиболее точного оптического эксперимента по измерению частоты перехода 1s-2s в атоме водорода НР поправка достигает лишь величины порядка 10^{-3} Гц в то время как экспериментальная погрешность составляет 10 Гц [1]. Ситуация изменилась с появлением эксперимента [2] по измерению частоты перехода 2s-4p перехода в водороде, где напрямую наблюдалось искажение контура линии за счет нерезонансных эффектов. Именно учет НР поправок вызванных квантовой интерференцией тонких подуровней уровня 4p позволил получить новые значения постоянной Ридберга и радиуса протона и уменьшить расхождение с данными полученными в экспериментах с мюонным водородом. В связи с этим чрезвычайно актуальной становится задача по определению и расчету НР поправок и для других переходов не только в атоме водорода, но и изотопах гелия-3 и гелия-4, где в настоящее время на базе современных вариационных принципов достигнута высочайшая точность теоретических расчетов, а также достигнута высокая экспериментальная точность измерений. В частности, в предлагаемом проекте планируются провести теоретический расчет НР поправок к новейшим экспериментам основанных на двухфотонной спектроскопии по измерению частот переходов 2s-nd (n=4, 6, 8, 12) в атоме водорода. Подобные расчеты ранее никем не проводились и полученные теоретические результаты могут быть использованы для дальнейшего уточнения фундаментальных констант. Важно отметить, что на сегодняшний день именно эксперименты использующие технику двухфотонной спектроскопии дают наибольшую точность в определении частот переходов в атоме водорода [3, 4].

Отдельный интерес также представляют переходы между компонентами тонкой структуры в гелии-4 и сверхтонкой структуры в гелии-3. Точность измерения частот таких переходов в современных экспериментах также достигла уровня на котором становится важен учет НР эффектов для извлечения точных значений постоянной тонкой структуры и зарядового радиуса ядра. В нашем проекте планируется провести теоретическое исследование НР поправок к переходам 2^3S_1 -> 2^3P_1 в гелии-4 и 2^3S_1(F=1/2)-> 2^3P_1(F=1/2) в гелии-3. Стоит отметить, что на сегодняшний день в спектроскопии двухэлектронных систем также существует проблема прецизионного разрешения зарядового радиуса ядра [5, 6]. Есть все основания полагать, что учет НР эффектов в этих экспериментах тоже будет способствовать согласованию различных экспериментальных данных [2].

Важность предлагаемого проекта подчеркивается необходимостью разработки теоретических методов по расчету НР эффектов в спектроскопических экспериментах по прецизионному определению фундаментальных констант повсеместно используемых в современной науке и технике. В приложениях прецизионная квантово-электродинамическая (КЭД) теория НР поправок будет способствовать развитию современных технологий, в частности, разработке новых оптических стандартов частоты и на их основе нового поколения высокоточных атомных часов. Предполагаемое в проекте развитие метода контура линии и исследование нерезонансных эффектов в процессах рассеяния фотонов на атомных системах имеет также фундаментальное значение для поиска новой физики за пределами Стандартной модели фундаментальных взаимодействий [1].

[1] T. A. Zalialiutdinov, D. A. Solovyev, L. N. Labzowsky, and G. Plunien, Phys. Rep. 737, 1 (2018).
[2] A. Beyer, L. Maisenbacher, A. Matveev, et al. Science 358, 79 (2017).
[3] A. Matveev et al, Phys. Rev. Lett. 110, 230801 (2013).
[4] H. Fleurbaey et al, Phys. Rev. Lett. 120, 183001 (2018).
[5] K. Pachucki, V. Patkóš, and V. A. Yerokhin, Phys. Rev. A 95, 062510 (2017).
[6] X. Zheng et al, Phys. Rev. Lett. 119, 263002 (2017).
АкронимRSF_MOL_2020 - 1
СтатусАктивный
Действительная дата начала/окончания27/07/2030/06/21

Ключевые слова

  • квантовая интерференция
  • нерезонансные поправки, прецизионная спектроскопия, фундаментальные константы, спектральная форма линии, квантовая электродинамика
  • прецизионная спектроскопия
  • квантовая электродинамика
  • теория рассеяния
  • теория атома