QED का सटीक परीक्षण

क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स (QED), इलेक्ट्रोडायनामिक्स का एक सापेक्षवादी क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत, भौतिकी में सबसे कड़े परीक्षण किए गए सिद्धांतों में से एक है। QED के सबसे सटीक और विशिष्ट परीक्षणों में विभिन्न भौतिक प्रणालियों में इलेक्ट्रोमैग्नेटिक ठीक-संरचना स्थिर, α के माप शामिल हैं। ऐसे मापों की निरंतरता की जाँच करना सिद्धांत का परीक्षण करता है।

सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के प्रयोगात्मक परिणामों की तुलना करके सिद्धांत के परीक्षण आम तौर पर किए जाते हैं। क्यूईडी में, इस तुलना में कुछ सूक्ष्मता है, क्योंकि सैद्धांतिक भविष्यवाणियों को इनपुट के रूप में α के अत्यंत सटीक मान की आवश्यकता होती है, जिसे केवल एक अन्य सटीक क्यूईडी प्रयोग से प्राप्त किया जा सकता है। इस वजह से, सिद्धांत और प्रयोग के बीच की तुलना को आमतौर पर α के स्वतंत्र निर्धारण के रूप में उद्धृत किया जाता है। QED की तब इस हद तक पुष्टि की जाती है कि विभिन्न भौतिक स्रोतों से α के ये माप एक दूसरे से सहमत होते हैं।

इस तरह से पाया गया समझौता दस भागों में एक बिलियन (10⁻⁸), इलेक्ट्रॉन विषम चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण की तुलना और नीचे बताए अनुसार परमाणु पुनरावृत्ति मापन से रिडबर्ग स्थिरांक पर आधारित है। यह QED को अब तक निर्मित सबसे सटीक भौतिक सिद्धांतों में से एक बनाता है।

सूक्ष्म-संरचना स्थिरांक के इन स्वतंत्र मापों के अलावा, QED की कई अन्य भविष्यवाणियों का भी परीक्षण किया गया है।

विभिन्न प्रणालियों का उपयोग कर ठीक-संरचना स्थिरांक का मापन

कम-ऊर्जा परमाणु भौतिकी प्रयोगों, उच्च-ऊर्जा कोलाइडर प्रयोगों और संघनित पदार्थ प्रणालियों में QED के सटीक परीक्षण किए गए हैं। इनमें से प्रत्येक प्रयोग में α का मान एक सैद्धांतिक अभिव्यक्ति (उच्च-क्रम पुनर्सामान्यीकरण सहित) के लिए एक प्रयोगात्मक माप को फिट करके प्राप्त किया जाता है जिसमें α एक पैरामीटर के रूप में शामिल होता है। α के निकाले गए मूल्य में अनिश्चितता में प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक अनिश्चितता दोनों शामिल हैं। इस प्रकार इस कार्यक्रम के लिए उच्च परिशुद्धता माप और उच्च परिशुद्धता सैद्धांतिक गणना दोनों की आवश्यकता होती है। जब तक अन्यथा ध्यान न दिया जाए, नीचे दिए गए सभी परिणाम से लिए गए हैं।

कम-ऊर्जा माप

विषम चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण

Α का सबसे सटीक माप इलेक्ट्रॉन के विषम चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण, या जी-कारक (भौतिकी) -2 (उच्चारण जी माइनस 2) से आता है। इस माप को बनाने के लिए, दो सामग्रियों की आवश्यकता होती है:

1. विषम चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण का एक सटीक माप, और
2. α के संदर्भ में विषम चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण की एक सटीक सैद्धांतिक गणना।

फरवरी 2007 तक, हार्वर्ड विश्वविद्यालय में गेराल्ड गेब्रियल्स के समूह द्वारा पेनिंग ट्रैप में पकड़े गए एकल इलेक्ट्रॉन का उपयोग करते हुए, इलेक्ट्रॉन के विषम चुंबकीय द्विध्रुव क्षण का सबसे अच्छा मापन किया गया था। एक चुंबकीय क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन की साइक्लोट्रॉन आवृत्ति और इसकी स्पिन पुरस्सरण आवृत्ति के बीच का अंतर g−2 के समानुपाती होता है। इलेक्ट्रॉन के दो संभावित स्पिन (भौतिकी) अभिविन्यासों की परिमाणित ऊर्जाओं की तुलना में साइक्लोट्रॉन कक्षाओं, या इलेक्ट्रॉन के लैंडौ स्तरों की परिमाणित ऊर्जाओं का एक अत्यंत उच्च परिशुद्धता माप, इलेक्ट्रॉन के स्पिन जी-कारक (भौतिकी) के लिए एक मान देता है। )|जी-फैक्टर:

जी/2 = 1.00115965218085(76),

एक खरब में एक हिस्से से बेहतर की सटीकता। (कोष्ठकों में अंक माप के अंतिम सूचीबद्ध अंकों में मानक अनिश्चितता दर्शाते हैं।)

इलेक्ट्रॉन के विषम चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण की वर्तमान अत्याधुनिक सैद्धांतिक गणना में अधिकतम चार लूपों के साथ QED आरेख शामिल हैं। इसे जी के प्रायोगिक माप के साथ जोड़कर α का सबसे सटीक मान प्राप्त होता है:

ए⁻¹ = 137.035999070(98),

एक अरब में एक हिस्से से बेहतर की सटीकता। यह अनिश्चितता परमाणु-पुनरावृत्ति माप से जुड़े निकटतम प्रतिद्वंद्वी विधि से दस गुना छोटी है।

म्यूऑन के विषम चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण से α का मान भी निकाला जा सकता है। म्यूऑन का जी-फैक्टर ऊपर के इलेक्ट्रॉन के समान भौतिक सिद्धांत का उपयोग करके निकाला जाता है - अर्थात्, साइक्लोट्रॉन आवृत्ति और चुंबकीय क्षेत्र में स्पिन प्रीसेशन आवृत्ति के बीच का अंतर g−2 के समानुपाती होता है। सबसे सटीक माप ब्रुकहैवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला के muon g−2 प्रयोग से आता है, जिसमें ध्रुवीकृत म्यूऑन एक साइक्लोट्रॉन में संग्रहीत होते हैं और उनके स्पिन अभिविन्यास को उनके क्षय इलेक्ट्रॉनों की दिशा से मापा जाता है। फरवरी 2007 तक, वर्तमान विश्व औसत मुओन जी-कारक माप है,

जी/2 = 1.0011659208(6),

एक अरब में एक हिस्से से बेहतर की सटीकता। म्यूऑन और इलेक्ट्रॉन के जी-कारकों के बीच अंतर उनके द्रव्यमान में अंतर के कारण होता है। म्यूऑन के बड़े द्रव्यमान के कारण, मानक मॉडल कमजोर अंतःक्रियाओं से और हैड्रोन से जुड़े योगदान से इसके विषम चुंबकीय द्विध्रुव क्षण की सैद्धांतिक गणना में योगदान सटीकता के वर्तमान स्तर पर महत्वपूर्ण हैं, जबकि ये प्रभाव इलेक्ट्रॉन के लिए महत्वपूर्ण नहीं हैं। म्यूऑन का विषम चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण मानक मॉडल से परे नई भौतिकी के योगदान के प्रति भी संवेदनशील है, जैसे सुपरसममिति। इस कारण से, क्यूईडी के परीक्षण के बजाय म्यूऑन के विषम चुंबकीय क्षण का उपयोग सामान्य रूप से मानक मॉडल से परे नई भौतिकी की जांच के रूप में किया जाता है। माप को परिष्कृत करने के वर्तमान प्रयासों के लिए muon g-2|muon g–2 देखें।

परमाणु-पुनरावृत्ति माप

यह α को मापने का एक अप्रत्यक्ष तरीका है, जो इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान, कुछ परमाणुओं और रिडबर्ग स्थिरांक के मापन पर आधारित है। Rydberg स्थिरांक एक खरब में सात भागों के लिए जाना जाता है। सीज़ियम और रूबिडीयाम परमाणुओं के सापेक्ष इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान भी अत्यंत उच्च परिशुद्धता के साथ जाना जाता है। यदि इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान को पर्याप्त उच्च परिशुद्धता के साथ मापा जा सकता है, तो α को Rydberg स्थिरांक से पाया जा सकता है

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

इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान प्राप्त करने के लिए, यह विधि वास्तव में एक के द्रव्यमान को मापती है ⁸⁷रूबिडीयाम परमाणु परमाणु संक्रमण में ज्ञात तरंग दैर्ध्य के एक फोटॉन को उत्सर्जित करने के बाद परमाणु की पुनरावृत्ति गति को मापने के द्वारा। इसे इलेक्ट्रॉन के अनुपात के साथ जोड़कर ⁸⁷Rb परमाणु, α का परिणाम है,

ए⁻¹ = 137.03599878(91).

क्योंकि यह माप ऊपर वर्णित इलेक्ट्रॉन के विषम चुंबकीय द्विध्रुव क्षण से α की माप के बाद अगला सबसे सटीक है, उनकी तुलना QED का सबसे कठोर परीक्षण प्रदान करती है: यहां प्राप्त α का मान एक मानक विचलन के भीतर है जो कि पाया गया है इलेक्ट्रॉन का विषम चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण, एक अरब में दस भागों के भीतर एक समझौता।

न्यूट्रॉन कॉम्पटन वेवलेंथ

Α को मापने का यह तरीका परमाणु-पुनरावृत्ति विधि के सिद्धांत के समान है। इस मामले में, इलेक्ट्रॉन से न्यूट्रॉन के सटीक ज्ञात द्रव्यमान अनुपात का उपयोग किया जाता है। न्यूट्रॉन द्रव्यमान को इसके कॉम्पटन वेवलेंथ के बहुत सटीक माप के माध्यम से उच्च परिशुद्धता के साथ मापा जाता है। इसके बाद α निकालने के लिए Rydberg स्थिरांक के मान के साथ जोड़ा जाता है। परिणाम है,

α⁻¹ = 137.0360101(54).

हाइपरफाइन स्प्लिटिंग

हाइपरफाइन स्प्लिटिंग एक परमाणु के ऊर्जा स्तरों में एक विभाजन है जो परमाणु नाभिक के चुंबकीय क्षण और संयुक्त स्पिन (भौतिकी) और इलेक्ट्रॉन के कक्षीय चुंबकीय क्षण के बीच बातचीत के कारण होता है। नॉर्मन रैमसे के हाइड्रोजन मेसर का उपयोग करके मापा गया हाइड्रोजन में हाइपरफाइन विभाजन, बड़ी सटीकता के साथ जाना जाता है। दुर्भाग्य से, प्रोटॉन की आंतरिक संरचना का प्रभाव इस बात को सीमित करता है कि सैद्धांतिक रूप से बंटवारे की सटीक भविष्यवाणी कैसे की जा सकती है। यह α के निकाले गए मूल्य को सैद्धांतिक अनिश्चितता के प्रभुत्व की ओर ले जाता है:

α⁻¹ = 137.0360(3).

म्यूओनियम में हाइपरफाइन विभाजन, एक परमाणु जिसमें एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटीम्यूऑन होता है, α का अधिक सटीक माप प्रदान करता है क्योंकि म्यूऑन की कोई आंतरिक संरचना नहीं होती है:

α⁻¹ = 137.035994(18).

मेमने की पाली

मेमने की पारी 2 एस की ऊर्जाओं में एक छोटा सा अंतर है_1/2 और 2 पी_1/2 हाइड्रोजन परमाणु, जो क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स में एक-लूप प्रभाव से उत्पन्न होता है। लैम्ब शिफ्ट α के समानुपाती होता है⁵ और इसका माप निकाला गया मान देता है:

α⁻¹ = 137.0368(7).

पॉजिट्रोनियम

पॉज़िट्रोनियम एक परमाणु है जिसमें एक इलेक्ट्रॉन और एक पोजीट्रान होता है। जबकि साधारण हाइड्रोजन के ऊर्जा स्तर की गणना प्रोटॉन की आंतरिक संरचना से सैद्धांतिक अनिश्चितताओं से दूषित होती है, पॉज़िट्रोनियम बनाने वाले कणों की कोई आंतरिक संरचना नहीं होती है इसलिए सटीक सैद्धांतिक गणना की जा सकती है। 2 के बीच विभाजन का माप³एस₁ और 1³एस₁ पॉज़िट्रोनियम की पैदावार का ऊर्जा स्तर

α⁻¹ = 137.034(16).

Α की माप पॉजिट्रोनियम क्षय दर से भी निकाली जा सकती है। पॉज़िट्रोनियम इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन के विनाश के माध्यम से दो या दो से अधिक गामा-रे फोटॉन में क्षय हो जाता है। एकल की क्षय दर (पैरा-पॉजिट्रोनियम) ¹एस₀ राज्य की उपज

α⁻¹ = 137.00(6),

और ट्रिपलेट (ऑर्थो-पॉजिट्रोनियम) की क्षय दर ³एस₁ राज्य की उपज

α⁻¹ = 136.971(6).

यह अंतिम परिणाम यहां दिए गए नंबरों के बीच एकमात्र गंभीर विसंगति है, लेकिन कुछ प्रमाण हैं कि अगणित उच्च-क्रम क्वांटम सुधार यहां उद्धृत मूल्य में एक बड़ा सुधार देते हैं।

उच्च-ऊर्जा QED प्रक्रियाएं

उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर पर उच्च-क्रम QED प्रतिक्रियाओं का क्रॉस सेक्शन (भौतिकी) α का निर्धारण प्रदान करता है। कम-ऊर्जा परिणामों के साथ α के निकाले गए मूल्य की तुलना करने के लिए, वैक्यूम ध्रुवीकरण के कारण α के चलने सहित उच्च क्रम वाले क्यूईडी प्रभावों को ध्यान में रखा जाना चाहिए। ये प्रयोग आमतौर पर केवल प्रतिशत-स्तर की सटीकता प्राप्त करते हैं, लेकिन उनके परिणाम कम ऊर्जा पर उपलब्ध सटीक माप के अनुरूप होते हैं।

के लिए क्रॉस सेक्शन $e^{+}e^{-}\to e^{+}e^{-}e^{+}e^{-}$ पैदावार

ए⁻¹ = 136.5(2.7),

और के लिए क्रॉस सेक्शन $e^{+}e^{-}\to e^{+}e^{-}\mu ^{+}\mu ^{-}$ पैदावार

ए⁻¹ = 139.9(1.2).

संघनित पदार्थ प्रणाली

क्वांटम हॉल प्रभाव और प्रत्यावर्ती धारा जोसेफसन प्रभाव संघनित पदार्थ प्रणालियों में विदेशी क्वांटम हस्तक्षेप घटनाएं हैं। ये दो प्रभाव क्रमशः एक मानक विद्युत प्रतिरोध और एक मानक आवृत्ति प्रदान करते हैं, जो मैक्रोस्कोपिक सिस्टम के लिए कड़ाई से शून्य सुधार के साथ इलेक्ट्रॉन के आवेश को मापते हैं। क्वांटम हॉल प्रभाव पैदा करता है

α⁻¹ = 137.0359979(32),

और एसी जोसेफसन प्रभाव उपज देता है

α⁻¹ = 137.0359770(77).

अन्य परीक्षण

• QED भविष्यवाणी करता है कि फोटॉन एक द्रव्यमान रहित कण है। विभिन्न प्रकार के अत्यधिक संवेदनशील परीक्षणों ने साबित किया है कि फोटॉन का द्रव्यमान या तो शून्य है, या असाधारण रूप से छोटा है। इन परीक्षणों में से एक प्रकार, उदाहरण के लिए, कूलम्ब के कानून को उच्च सटीकता पर जांच कर काम करता है, क्योंकि कूलम्ब के कानून को संशोधित किए जाने पर फोटॉन का द्रव्यमान शून्य नहीं होगा। देखनाPhoton § Experimental checks on photon mass.
• QED भविष्यवाणी करता है कि जब इलेक्ट्रॉन एक-दूसरे के बहुत करीब आते हैं, तो वे ऐसा व्यवहार करते हैं जैसे कि वैक्यूम ध्रुवीकरण के कारण उनके पास उच्च विद्युत आवेश होता है। जापान में KEK कण त्वरक का उपयोग करके 1997 में इस भविष्यवाणी को प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित किया गया था।
• QED प्रभाव जैसे निर्वात ध्रुवीकरण और स्व-ऊर्जा अत्यधिक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों के कारण एक भारी परमाणु में एक नाभिक से बंधे इलेक्ट्रॉनों को प्रभावित करते हैं। ग्राउंड स्टेट हाइपरफाइन स्प्लिटिंग इन पर हालिया प्रयोग ²⁰⁹नहीं⁸⁰⁺ और ²⁰⁹नहीं⁸²⁺ आयनों ने 7 से अधिक मानक अनिश्चितताओं द्वारा सिद्धांत से विचलन प्रकट किया। संकेत बताते हैं कि यह विचलन परमाणु चुंबकीय क्षण के गलत मान से उत्पन्न हो सकता है ²⁰⁹नहीं।

यह भी देखें

• क्यूईडी वैक्यूम
• Eötvös प्रयोग, गुरुत्वाकर्षण का एक और बहुत उच्च सटीकता परीक्षण

बाहरी संबंध

• Particle Data Group (PDG)
• PDG Review of the Muon Anomalous Magnetic Moment as of July 2007
• PDG 2007 Listing of particle properties for electron
• PDG 2007 Listing of particle properties for muon