Helium, et lille atom til stor fysik

Heliumatom -præcisionsmålinger og -beregninger har en historie på næsten et århundrede. I 1960'erne, teoretikere opdagede, at finstrukturopdelingen (23P0-23P2) af 23P energiniveauet af helium er det bedste atomsystem til måling af den fine strukturkonstant α (ca. 1/137), som er nøgleparameteren i teorien om kvanteelektrodynamik (QED). QED er den grundlæggende teori, der beskriver kvanteegenskaberne ved elektromagnetiske interaktioner. Det dækker næsten alle fysiske systemer fra mikroskopiske partikler til makroskopiske faste stoffer, og er i øjeblikket den mest præcise teori i fysik. Sådan en måling af α fra præcisionsspektroskopi af helium, sammenlignet med værdier bestemt ud fra helt forskellige metoder, præsenterer en perfekt test af fysikkens konsistens. Efter 50 års hårdt arbejde, teoretikere har udviklet forskellige tilgange til at beregne QED -korrektionen af ​​helium til den 7. magt -serie af α.

Eksperimentelle præcisionsmålinger af heliumatomer er blevet udført i mange internationale forskningsinstitutioner. Nylige eksperimentelle fremskridt opnået i flere grupper på verdensplan introduceres, herunder 2S-2P-overgangsfrekvensen for He-4 og 23P0-23P2 finstrukturintervallet bestemt af forfatternes forskningsgruppe, som er de mest nøjagtige resultater til dato.

På nuværende tidspunkt, nøjagtigheden af ​​de beregnede resultater af helium er begrænset af den meget komplicerede QED -korrektion af 8. række af α. På den ene side, det kan udvikles gennem teoretisk udvikling, og på den anden side, det kan udforskes ved præcisionsmålinger af andre heliumlignende ioner. Dette vil være en ekstremt streng test af QED.

Ud over, præcisionsmåling af helium har også en bred indvirkning på forskellige vigtige undersøgelser.

Spektroskopi af heliumatomet er blevet anvendt for at bestemme radius af heliumkerner. På nuværende tidspunkt, der er stadig en signifikant afvigelse mellem de målte resultater af forskellen mellem atomradius for helium-3 og helium-4. Årsagen til denne afvigelse er ikke forklaret, og løsningen af ​​dette problem vil give en vigtig reference til at løse 'puslespillet med protonradius'.

Heliumatoms polariserbarhed kan beregnes nøjagtigt, og brytningsindekset for heliumgas kan udledes. Da brydningsindekset for en gas præcist kan måles ved optiske metoder, dette bliver en metrologisk metode til optisk at bestemme densiteten (trykket) af gasser. Relaterede tekniske metoder er under udvikling hos NIST i USA og hos PTB i Tyskland, og forfatternes forskerhold har også foretaget relateret forskning.