Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Измерение аномального магнитного момента электрона

В разделе, посвященном эффекту Зеемана, мы говорили, что гиромагнитное отношение для спина электрона оказывается в два раза больше, чем может иметь заряженная материя с удельным зарядом  в классической электродинамике. Это свойство спина, обусловлено невекторным характером собственного вращения электрона, ассоциируемого со спином: для полного «разворота» спина необходим поворот на угол , а не на . Однако оказывается, что эффекты квантовой теории поля приводят к дополнительным поправкам к гиромагнитному отношению. Качественно объясним механизм появления этих поправок.

Магнитный момент системы частиц описывает силу ее дипольного взаимодействия с магнитным полем. Для точечной частицы в квантовой теории поля такое взаимодействие в первом приближении изображается как излучение/поглощение фотона (см. рис. выше, слева). На этой диаграмме волнистая линия обозначает фотон, а сплошная — заряженную частицу. В то же время, вместе с непосредственным процессом взаимодействия с фотоном происходит и множество других, более сложных процессов, которые включают в себя рождение виртуальных частиц. Например, на рисунке выше справа изображена диаграмма, описывающая ведущую поправку к прямому взаимодействию заряженной частицы с внешним электромагнитным полем: частица вначале излучает виртуальный фотон, затем взаимодействует с внешним полем, а потом ловит испущенный самой собой фотон. Справедливости ради надо отметить, что понятия «излучение/поглощение» и «вначале/потом» внутри одной диаграммы не имеют того смысла временной последовательности, к которой мы привыкли в макромире. В макромире частица не может излучить фотон, находясь в вакууме — тем более, после этого она никак не сможет его поглотить, поскольку, только появивишись на свет, фотон будет улетать от частицы с недостижимой скоростью . Все отличие от реальных фотонов кроется в прилагательном «виртуальный»: для таких фотонов нет будущего и прошлого, и они могут двигаться с любой, даже сверхсветовой скоростью. Никаких нарушений причинности и сверхсветовых сигналов, передаваемых в реальных процессах, при этом не возникает.

Добавление виртуальных (промежуточных) частиц в диаграмму, описывающую взаимодействие частицы с внешним полем, проявляется, в частности, в изменении ее магнитного момента, массы и заряда. Именно за счет таких изменений — радиационных поправок — изменяется гиромагнитное отношение. В рамках электродинамики гиромагнитное соотношение для электрона в первом приближении отличается от квантовомеханического на величину

Современные эксперименты позволяют измерять гиромагнитное отношении для электрона с относительной погрешностью до :

Для протона и нейтрона аномальный вклад в гиромагнитное соотношение примерно равен , магнитный же момент незаряженного нейтрона полностью аномальный. Эти частицы обладают аномальным магнитным моментом, поскольку являются не точечными, а состоят из кварков, обладающих как зарядом, так и магнитным моментом. В некотором смысле слова, таково же и происхождение аномального магнитного момента электрона: электрон вместе с рождающимися в его окрестности виртуальными частицами тоже является неточечным. Последнее образование из виртуальных частиц вблизи заряженной частицы в квантовой теории поля называется шубой (англ. fur coat).

Аномальный магнитный момент был впервые измерен в 1948 году Поликарпом Кушем (1911–1993) и Генри Майклом Фоли (1917–1982) на основе исследования тонкой структуры зеемановского расщепеления для атомов галлия и индия (см. эффект Зеемана). Не излагая заново теорию эффекта Зеемана, можно сказать, что -фактор Ланде, определяющий гиромагнитное отношение для заданной атомной орбитали, зависит от гиромагнитного соотношения для спина электрона. Внешняя оболочка, представленная в этих атомах одним электроном, могла находиться в состояниях (обозначения: , где  — спиновый, орбитальный и полный момент всей оболочки). Также использовались атомы натрия, также содержащие на внешней оболочке один электрон. Оболочка натрия могла находиться в близких энергетических состояниях . Также необходимо было учитывать тонкую структуру энергетических уровней, возникающую из-за взаимодействия с магнитным моментом ядра. Если предположить, что электрон обладает спиновым гиромагнитным соотношением, равным , то вычисления ‑факторов Ланде дают:

Первое отношение факторов Ланде измерялось в галлии и индии, второе — в натрии. Необходимо отметить, что задача о выяснении наличия или отсутствия отклонения гиромагнитного отношения от двух стояла давно, но экспериментальная техника была далеко от возможности ощутить потенциальное отклонение. Первое сообщение о наличии отклонений тонкой и сверхтонкой структуры уровней атомов от предсказываемой теорией с приписывают Дж. Нафе, Э. Нельсону и И. Раби (1947). В том же году Грегори Брейт (1899–1981) предположил наличие аномальной поправки к магнитному моменту электрона. Куш и Фоли в своем эксперименте опирались на идею Брейта.

.Методика измерения расщепления, использованная Кушем и Фоли, практически полностью повторяла эксперимент Уоллиса Лэмба: атомный пучок, некоторые атомы которого переводились в возбужденное метастабильное состояние, попадал в область с магнитным полем, имевшим как статическую, так и переменную составляющую. Статическое поле создавало зеемановское расщепление уровней, а переменное поле, если его частота соответствовала линии перехода между метастабильным и некоторым нестабильным состоянием, способствовало быстрому каскадному переходу атомов из метастабильного в основное состояние. За электромагнитном находился детектор, измерявший число долетевших до него атомов в метастабильном состоянии. Падение этого числа говорило резонансе, т.е. об обнаружении нового нестабильного уровня над метастабильным состоянием. В атомах галлия, например, метастабильным является состояние .

Измерения аномального магнитного момента электрона и мюона на сегодняшний день являются одними из самых строгих проверок квантовой теории поля. В более высоких приближениях в магнитный момент вносят вклад и другие виртуальные частицы, рождающиеся в промежуточных состояниях, поэтому магнитный момент дает сведения не только о свойствах электромагнитного, но и других взаимодействий на квантовом уровне.

<<К предыдущему эксперименту  |  Квантовая теория  |  К следующему эксперименту>>