научная статья по теме ПОПРАВКИ СТРУКТУРЫ ЯДРА В СПЕКТРАХ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОННОГО И МЮОННОГО ДЕЙТЕРИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ПОПРАВКИ СТРУКТУРЫ ЯДРА В СПЕКТРАХ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОННОГО И МЮОННОГО ДЕЙТЕРИЯ»

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2004, том 67, № 3, с. 477-483

ЯДРА

ПОПРАВКИ СТРУКТУРЫ ЯДРА В СПЕКТРАХ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОННОГО И МЮОННОГО ДЕЙТЕРИЯ

© 2004 г. А. П. Мартыненко*, Р. Н. Фаустов1)**

Самарский государственный университет, Россия Поступила в редакцию 20.03.2003 г.; после доработки 27.06.2003 г.

Вычислены однопетлевые поправки порядка (^а)5, обусловленные структурой ядра, в лэмбовском сдвиге и сверхтонкой структуре дейтерия. Получен вклад эффектов структуры дейтрона в изотопический сдвиг (ер)—(ей), (^р)-(^й) для расщепления 15-25 с помощью современных экспериментальных данных по электромагнитным формфакторам дейтрона. В результате сравнения с аналогичными вкладами в лэмбовском сдвиге для электронного и мюонного водорода показано, что относительный вклад поправок, связанных со структурой ядра, возрастает при переходе от атома водорода к дейтерию из-за увеличения размера ядра.

1. ВВЕДЕНИЕ

Экспериментальное и теоретическое исследование лэмбовского сдвига и сверхтонкой структуры мюонного водорода и мюонного дейтерия может привести к существенному прогрессу в определении ряда важнейших фундаментальных характеристик протона и дейтрона, к лучшему пониманию эффектов структуры и поляризуемости ядер этих водородоподобных атомов [1—5]. Именно поправки, связанные со структурой ядра и его поляризуемостью, вносят главную теоретическую неопределенность как в величину лэмбовского сдвига, так и в сверхтонкую структуру атома водорода. Одно из последних исследований этих эффектов в сверхтонкой структуре атомов электронного и мюонно-го водорода, выполненное в [6], показывает, что -70% величины (AEHFD - AEHp?S) = 0-046 МГц (квантовоэлектродинамический вклад AEQFD не учитывает эффекты отдачи протона, его структуры и поляризуемости) в случае электронного водорода можно получить в рамках эффективной теории поля, описывающей взаимодействие барионов с фотонами и лептонами. В последние годы в PSI (Paul Scherrer Institute) проводится эксперимент по измерению 2P—2S лэмбовского сдвига в мю-онном водороде (ц.р) [7]. Цель эксперимента состоит в измерении лэмбовского сдвига в мюон-ном водороде с точностью 30 х 10_6, что позволит получить значение зарядового радиуса протона с относительной точностью 10_3, т.е. на порядок больше той, которая достигнута в настоящее время

из анализа упругого ер-рассеяния и лэмбовского сдвига в электронном водороде. Другая важная задача связана с изучением изотопического сдвига водород—дейтерий в расщеплении 15—25 [8—10]. Основные различия в уровнях энергии изотопов связаны с различными массами и распределениями зарядов ядер. Более тонкие эффекты определяются спинами ядер, их магнитными и квадрупольными моментами. Экспериментальное значение изотопического сдвига H—D (5 — относительная экспериментальная погрешность):

АЕи-и(15-25) = 670 994 334.64(15) кГц, (1) 5 = 2.2 х 10-10,

было получено с точностью, требующей учета эффектов структуры и поляризуемости ядра при соответствующем теоретическом расчете данной величины. Используя результат (1), можно получить значение разности квадратов зарядовых радиусов протона и дейтрона в виде[11]

r2d - rp = 3.8213(11.7) Фм2

(2)

^Научный совет "Кибернетика" РАН, Москва. E-mail: mart@info.ssu.samara.ru E-mail: faustov@theory.sinp.msu.ru

Поэтому при измерении лэмбовского сдвига в (^p) с точностью 30 х 10_6 можно будет получить rd из выражения (2) с относительной точностью 10_3. Другая возможность определения более точного значения зарядового радиуса дейтрона связана с измерением изотопического сдвига мюон-ный водород—мюонный дейтерий в расщеплении 15—25. При этом точность соответствующего эксперимента должна быть сопоставимой с ( 1 ). Имея в виду, что относительная ошибка в PSI для лэмбовского сдвига в (^p) будет равна 10_5, возможность соответствующего измерения изотопического сдвига (^p)-(^d) (15—25) представляется

вполне реальной. При этом, разумеется, необходимо выполнить расчет всех возможных поправок в лэмбовском сдвиге мюонного водорода и дейтерия с такой же точностью. Величина лэмбовского сдвига определяется суммой квантовоэлектродинами-ческого (КЭД) вклада (однопетлевые, двухпетле-вые, трехпетлевые поправки, поправки на отдачу и радиационные поправки с отдачей) и ядерных поправок. Если КЭД-поправки получены в настоящее время с относительной точностью 10-7 в результате многочисленных расчетов [11], то вклад ядерных эффектов известен менее точно. Точность расчета этого вклада (структура и поляризуемость ядра) зависит как от экспериментально измеряемых распределений заряда, магнитного момента и т.д. ядер, так и от используемых теоретических моделей. Эксперименты по измерению как изотопического сдвига (1), так и сверхтонкой структуры (СТС) атома водорода могут выполнять роль отбора среди многочисленных ядерных моделей.

Сверхтонкое расщепление основного состояния дейтерия представляет собой еще одну важную величину, в которой поправки структуры ядра поддаются экспериментальной проверке. Экспериментальное значение СТС было получено ранее с высокой точностью [11, 12]:

Д^Н^Р) = 327 384.3 525 219(17)(3) кГц, (3)

^ехр

5 = 5.2 х 10-12.

ядра, определяется однофотонным взаимодействием. Амплитуда процесса упругого рассеяния ей ^ ^ ей представляет собой свертку электромагнитных токов электрона и дейтрона. Параметризация дейтронного электромагнитного тока имеет вид [17,18]

Jd(P2,Q2) = £*р(Я2)-

{Р2 + д2К«Ык2)- (4)

2Ш2

(Р2 + (12)/1 кркд ^ п 2 2 т2

2-Ш2

F2(k2) —

2

ки

_ _с1

ра2 т2

Fз(k2) }еа(р2),

где р2,д2 — 4-импульсы дейтрона в начальном и конечном состояниях; к = д2 — р2; ш2 — масса дейтрона. Векторы поляризации для частицы спина 1 удовлетворяют следующим соотношениям:

е*Ак,А)е»(к, А') = —5х\', кце"(к,А) = 0, (5)

л

е^(к,А)еи(к, А) = +

к^ки Ш2

Генератор инфинитезимальных преобразований Лоренца

££ = д% — дХ.

¿р^а

аУр-

(6)

Расхождение между экспериментальным значением (3) и теоретическим значением сверхтонкого расщепления в дейтерии, которое было получено только с учетом КЭД-поправок, составляет 45 кГц. Существенный вклад в эту величину дают прежде всего поправки, обусловленные структурой ядра. Ядро атома дейтерия имеет спин 1, а его структура определяется тремя электромагнитными формфакторами. Цель данной работы состоит в том, чтобы последовательно учесть все эффекты порядка (Za)5, связанные со структурой дейтрона, как в лэмбовском сдвиге атомов электронного и мюонного дейтерия, так и в сверхтонкой структуре. В отличие от предыдущих исследований этих проблем [13—16] мы используем явно ковариантный подход для описания электромагнитного взаимодействия дейтрона со спином 1 и лептона со спином 1/2 при построении квазипотенциала двухфотон-ного взаимодействия. Кроме того, мы учитываем при этом современные экспериментальные данные по электромагнитным формфакторам дейтрона: зарядовому, магнитному, квадрупольному.

2. ПОПРАВКИ ПОРЯДКА (га)5

В ЛЭМБОВСКОМ СДВИГЕ ДЕЙТЕРИЯ

Основной вклад порядка (га)4 в лэмбовский

сдвиг атома водорода, обусловленный структурой

Электромагнитные формфакторы дейтрона Fi(к2) являются функциями квадрата 4-импульса фотона. Они связаны с электрическим, магнитным и квадрупольным формфакторами дейтрона соответственно следующим образом: 2

^С = + -Г] [^1 + (1 + - ^з], (7) Fм = Fз, FQ = Fl + (1 + п^2 — Fз,

П

4гя|

Лептонный электромагнитный ток имеет вид

4(Р1,Я1)= (8)

= и(д1)

(Р1+91У + к»

2Ш1

2Ш1

и(р1),

где р1,д1 — 4-импульсы электрона (мюона) в начальном и конечном состояниях; = —

— 7м)/2; щ — аномальный магнитный момент лептона; и(р) — биспинор Дирака.

Чтобы получить вклад однофотонного взаимодействия в лэмбовский сдвиг, необходимо усреднить токи (4) и (8) по спинам электрона и дейтрона. В результате вклад в лэмбовский сдвиг порядка

-ч-

d d

Поправки порядка (Иа)6, связанные со структурой ядра. Жирными точками на рисунке показаны вершинные операторы дейтрона.

(Za)4 выражается через зарядовый радиус дейтрона:

=S(za)4 ^+fm(o) -Fc(o)]' (9)

rj =

6 dFc (k2)

Fc(0) dk2

k2=0

Численное значение данного соотношения в расщеплении 15-25 для мюонного дейтерия при га = = 2.094 Фм равно —186.74 мэВ. Вклад квадру-польного магнитного слагаемого в (9) — [Ем(0) — — Ее(0)] = 2^4 — 1 (ра — магнитный момент дейтрона), которое совпадает с тем, что было получено в [19], составляет 0.2%. Рассмотрим теперь двухфотонные обменные амплитуды, показанные на рисунке, которые дают поправки порядка (Иа)5 в лэмбовский сдвиг дейтерия. В промежуточном состоянии в процессах виртуального комптонов-ского рассеяния имеется частица со спином 1 -дейтрон. Амплитуды виртуального комптоновского рассеяния лептона и дейтрона можно представить следующим образом:

M$V = u(qi)

pi + к + mi 2

' (pi + k)2 — mi

(10)

pi — к + mi + -Ш-1лЪ

(pi — k)2 — mi

u(pi),

M$ = el (92)

(92 +P2- k)f, 2 m2

(92 + P2 — kpk\

2m2

- £

jtю

px 2m2

F3

2m2

_„ I (P2-fc)A(P2-fc)t,

УХш I 2

5paFi — (11)

F2 —

(p2 — k)2 — m2

(P2 + 92 ~ к)ь

2 m2

5WFi —

(P2 + 92 — k)

k« 77

2m2 2m, 2m,2

ea (P2).

Для выделения вклада 27-амплитуд в лэмбовский сдвиг усредним (10) и (11) по спинам лептона и дейтрона. Перемножая полученные выражения, представим необходимый квазипотенциал в виде (мы использовали систему FORM [20] для вычисления возникающих следов от произведения 7-матриц Дирака и свертки по лоренцевским индексам):

id4 к_1_

тг2 (к2)2(к4 - 4,k2mj)(k2 - 4к2т2) '

4Fi2m2k2(k2 — k22) [3m2 — k2 + kg] +

(12)

+ 4FiF2 (k2 — k02 )2[k4 — m2(k2 + 2k2)] + + 4Fi F3m2k2 (k2 — k2)(k2 — 2k2) —

— F2

k2(k2 _ k2)2

_fcoL[A,4_m2(A,2+3A,2)] _

m

— 2FiF3 k4 (k2 — k2)2 +

+ F3 k2k2[—3k4 + 4m2(2k2 + k2)] j.

Перейдем к интегрированию по 4-мерному евклидову пространству с помощью соотношений

оо п

Jdf k = bjk?dk J sin2 ф . d4, ko = k cos Ф.

0 0

(13)

Тогда интегрирование по углу ф в (12) можно выполнить аналитически. Усредняя далее полученный из (12) квазипотенциал по кулоновским волновым функциям, получаем вклад в спектр энергии:

p3(Za)5

TTiLs

^27 = --

6m3m5(mi — т|)пп3

х

х

k

а

2

X

X

Поправки порядка (га)4, (га)5, обусловленные структурой ядра, в лэмбовском сдвиге электронного

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком