Tests de précision de QED - Precision tests of QED

L'électrodynamique quantique ( QED ), une théorie des champs quantique relativiste de l'électrodynamique, est l'une des théories les plus rigoureusement testées en physique . Les pluparttests précis et spécifiques de QED consistentdes mesures de la électromagnétique constante de structure fine , α , dans divers systèmes physiques. La vérification de la cohérence de ces mesures teste la théorie.

Les tests d'une théorie sont normalement effectués en comparant les résultats expérimentaux aux prédictions théoriques. En QED, il y a une certaine subtilité dans cette comparaison, car les prédictions théoriques nécessitent en entrée une valeur extrêmement précise de α , qui ne peut être obtenu à partir d'une autre expérience de QED de précision. De ce fait , les comparaisons entre la théorie et l' expérience sont généralement cités comme des déterminations indépendantes de α . QED est ensuite confirmé dans la mesure où ces mesures de α provenant de différentes sources physiques concordent mutuellement.

L'accord trouvé de cette façon est à dix parties par milliard (10 ^-8 ), basé sur la comparaison du moment dipolaire magnétique anormal des électrons et de la constante de Rydberg à partir des mesures de recul des atomes comme décrit ci-dessous. Cela fait de QED l'une des théories physiques les plus précises construites à ce jour.

Outre ces mesures indépendantes de la constante de structure fine, de nombreuses autres prédictions de QED ont également été testées.

Mesures de la constante de structure fine à l'aide de différents systèmes

Des tests de précision de QED ont été effectués dans des expériences de physique atomique à basse énergie , des expériences de collisionneur à haute énergie et des systèmes de matière condensée . La valeur de α est obtenu dans chacun de ces expériences en ajustant une mesure expérimentale à une expression théorique (y compris d'ordre supérieur des corrections radiatives ) qui inclut α comme paramètre. L'incertitude sur la valeur extraite de α comprend à la fois expérimentales et incertitudes théoriques. Ce programme nécessite donc à la fois des mesures de haute précision et des calculs théoriques de haute précision. Sauf indication contraire, tous les résultats ci-dessous sont tirés de.

Mesures à basse énergie

Moments dipolaires magnétiques anormaux

La mesure précise de plus α provient du moment dipolaire magnétique anormal , ou g -2 (prononcer « g moins 2 »), de l' électron . Pour faire cette mesure, deux ingrédients sont nécessaires :

Une mesure précise du moment dipolaire magnétique anormal, et
Un calcul théorique précis du moment dipolaire magnétique anormal en fonction de α .

En février 2007, la meilleure mesure du moment dipolaire magnétique anormal de l'électron a été réalisée par le groupe de Gerald Gabrielse de l'Université Harvard , à l'aide d'un seul électron pris dans un piège de Penning . La différence entre la fréquence cyclotron de l'électron et sa fréquence de précession de spin dans un champ magnétique est proportionnelle à g -2. Une mesure extrêmement précise des énergies quantifiées des orbites cyclotron, ou niveaux de Landau , de l'électron, comparées aux énergies quantifiées des deux orientations de spin possibles de l'électron , donne une valeur pour le facteur g de spin de l'électron :

g /2 =1.001 159 652 180 85 (76) ,

une précision meilleure qu'une partie sur mille milliards. (Les chiffres entre parenthèses indiquent l' incertitude type dans les derniers chiffres répertoriés de la mesure.)

Le calcul théorique de pointe actuel du moment dipolaire magnétique anormal de l'électron comprend des diagrammes QED avec jusqu'à quatre boucles. En combinant ceci avec la mesure expérimentale de g rendements le plus de valeur précise de α :

α ^-1 =137,035 999 070 (98) ,

une précision meilleure qu'une partie de milliard. Cette incertitude est dix fois plus faible que la méthode concurrente la plus proche impliquant des mesures de recul atomique.

Une valeur de α peut également être extraite à partir du moment dipolaire magnétique anormal du muon . Le facteur g du muon est extrait en utilisant le même principe physique que pour l'électron ci-dessus, à savoir que la différence entre la fréquence cyclotron et la fréquence de précession de spin dans un champ magnétique est proportionnelle à g -2. La mesure la plus précise provient de l' expérience muon g-2 du Brookhaven National Laboratory , dans laquelle des muons polarisés sont stockés dans un cyclotron et leur orientation de spin est mesurée par la direction de leurs électrons de désintégration. En février 2007, la moyenne mondiale actuelle du facteur g du muon est,

g /2 =1.001 165 9208 (6) ,

une précision meilleure qu'une partie sur un milliard. La différence entre les facteurs g du muon et de l'électron est due à leur différence de masse. En raison de la masse plus importante du muon, les contributions au calcul théorique de son moment dipolaire magnétique anormal à partir des interactions faibles du modèle standard et des contributions impliquant des hadrons sont importantes au niveau de précision actuel, alors que ces effets ne sont pas importants pour l'électron. Le moment dipolaire magnétique anormal du muon est également sensible aux contributions de la nouvelle physique au-delà du modèle standard , comme la supersymétrie . Pour cette raison, le moment magnétique anormal du muon est normalement utilisé comme sonde pour une nouvelle physique au-delà du modèle standard plutôt que comme test de QED. Voir muon g –2 pour les efforts en cours pour affiner la mesure.

Mesures de recul atomique

Ceci est une méthode indirecte de mesure de α , sur la base de mesures de la masse de l'électron, certains atomes, et la constante de Rydberg . La constante de Rydberg est connue à sept parties sur un billion. La masse de l'électron par rapport à celle des atomes de césium et de rubidium est également connue avec une précision extrêmement élevée. Si la masse de l'électron peut être mesurée avec une précision suffisamment élevée, alors α peut être trouvé à partir de la constante de Rydberg selon

R_{\infty }={\frac {\alpha ^{2}m_{\text{e}}c}{4\pi \hbar }}.

Pour obtenir la masse de l'électron, cette méthode mesure en fait la masse d'un atome de ⁸⁷Rb en mesurant la vitesse de recul de l'atome après qu'il a émis un photon de longueur d'onde connue dans une transition atomique. En combinant ceci avec le rapport des électrons à ⁸⁷ atomes Rb, le résultat de α est,

α ^-1 = 137,035 998 78 (91).

Parce que cette mesure est la prochaine plus précise après la mesure de α du moment dipolaire magnétique anormal de l'électron décrit ci - dessus, leur comparaison fournit le plus test rigoureux de QED, qui est passé avec brio: la valeur de α obtenue ici est dans un écart type de celui trouvé à partir du moment dipolaire magnétique anormal de l'électron, un accord à dix parties près sur un milliard.

Longueur d'onde de neutrons Compton

Cette méthode de mesure α est très semblable en principe à la méthode atome-recul. Dans ce cas, le rapport de masse connu avec précision de l'électron au neutron est utilisé. La masse du neutron est mesurée avec une grande précision grâce à une mesure très précise de sa longueur d'onde Compton . Ceci est ensuite combiné avec la valeur de la constante de Rydberg pour extraire α . Le résultat est,

α ^-1 = 137,036 010 1 (5 4).

Fractionnement hyperfin

La division hyperfine est une division des niveaux d'énergie d'un atome causée par l'interaction entre le moment magnétique du noyau et le moment magnétique combiné du spin et de l'orbite de l'électron. La division hyperfine de l' hydrogène , mesurée à l'aide du maser à hydrogène de Ramsey , est connue avec une grande précision. Malheureusement, l'influence de la structure interne du proton limite la précision avec laquelle la séparation peut être prédite théoriquement. Cela conduit à la valeur extraite de α étant dominé par l' incertitude théorique:

α ^-1 = 137,036 0 (3).

La séparation hyperfine dans muonium , un « atome » constitué d'un électron et un antimuon, fournit une mesure plus précise de α , car le muon n'a pas de structure interne:

α ^-1 = 137,035 994 (18).

Changement d'agneau

Le décalage de Lamb est une petite différence dans les énergies des niveaux d'énergie 2 S _1/2 et 2 P _1/2 de l'hydrogène , qui résulte d'un effet à une boucle en électrodynamique quantique. Le décalage de Lamb est proportionnel à α ⁵ et sa mesure donne la valeur extraite :

α ^-1 = 137,036 8 (7).

Positronium

Le positronium est un "atome" composé d'un électron et d'un positron . Alors que le calcul des niveaux d'énergie de l'hydrogène ordinaire est contaminé par les incertitudes théoriques de la structure interne du proton, les particules qui composent le positronium n'ont pas de structure interne, des calculs théoriques précis peuvent donc être effectués. La mesure de la séparation entre les niveaux d'énergie 2 ³ S ₁ et 1 ³ S ₁ des rendements en positronium

α ^-1 = 137,034 (16).

Les mesures de α peuvent également être extraits du taux de décroissance de positronium. Le positronium se désintègre par annihilation de l'électron et du positron en deux ou plusieurs photons gamma . Le taux de désintégration de l'état singulet ("para-positronium") ¹ S ₀ donne

α ^-1 = 137,00 (6),

et le taux de désintégration du triplet ("ortho-positronium") ³ S ₁ donne l'état

α ^-1 = 136,971 (6).

Ce dernier résultat est le seul écart sérieux entre les nombres donnés ici, mais il existe des preuves que des corrections quantiques d'ordre supérieur non calculées donnent une grande correction à la valeur citée ici.

Processus QED à haute énergie

Les sections transversales des réactions de QED ordre supérieur à collisionneurs électron-positon haute énergie fournissent une détermination de α . Afin de comparer la valeur extraite α avec les résultats à faible énergie, d'ordre supérieur effets QED , y compris le fonctionnement de α en raison de la polarisation du vide doit être pris en compte. Ces expériences n'atteignent généralement qu'une précision de pourcentage, mais leurs résultats sont cohérents avec les mesures précises disponibles à des énergies plus basses.

La section transversale des rendements $e^{+}e^{-}\to e^{+}e^{-}e^{+}e^{-}$

α ^-1 = 136,5 (2,7),

et la section transversale des rendements $e^{+}e^{-}\to e^{+}e^{-}\mu ^{+}\mu ^{-}$

α ^-1 = 139,9 (1,2).

Systèmes de matière condensée

L' effet Hall quantique et l' effet AC Josephson sont des phénomènes d'interférence quantique exotiques dans les systèmes de matière condensée. Ces deux effets fournissent respectivement une résistance électrique étalon et une fréquence étalon , qui mesurent la charge de l'électron avec des corrections strictement nulles pour les systèmes macroscopiques.

L'effet Hall quantique donne

α ^-1 = 137,035 997 9 (3 2),

et l'effet AC Josephson donne

α ^-1 = 137,035 977 0 (7 7).

D'autres épreuves

QED prédit que le photon est une particule sans masse . Une variété de tests très sensibles ont prouvé que la masse du photon est soit nulle, soit extraordinairement petite. Un type de ces tests, par exemple, fonctionne en vérifiant la loi de Coulomb avec une grande précision, car la masse du photon serait non nulle si la loi de Coulomb était modifiée. Voir l'article Photon#Contrôles expérimentaux sur la masse des photons .
QED prédit que lorsque les électrons se rapprochent très près les uns des autres, ils se comportent comme s'ils avaient une charge électrique plus élevée, en raison de la polarisation sous vide . Cette prédiction a été vérifiée expérimentalement en 1997 à l'aide de l' accélérateur de particules TRISTAN au Japon.
Les effets QED comme la polarisation du vide et l' auto-énergie influencent les électrons liés à un noyau dans un atome lourd en raison de champs électromagnétiques extrêmes. Une expérience récente sur l'état sol séparation hyperfine dans ²⁰⁹ Bi ⁸⁰⁺ et ²⁰⁹ Bi ⁸²⁺ ions a révélé un écart par rapport à la théorie de plus de 7 incertitudes standard. Des indications montrent que cet écart peut provenir d'une valeur erronée du moment magnétique nucléaire de ²⁰⁹ Bi.

Voir également

Aspirateur QED
Expérience Eötvös , un autre test de très haute précision, de la gravitation

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