QED का सटीक परीक्षण

क्वांटम विद्युत् गतिकी (क्यूईड) विद्युत् गतिकी का आपेक्षिक क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत के रूप में है तथा जो भौतिकी में अत्यंत कठोर रूप से परीक्षित सिद्धांतों में से एक है। क्यूईडी के सबसे यथार्थ और विशिष्ट परीक्षणों में विभिन्न भौतिक प्रणालियों में विद्युत् चुंबकीय 'सूक्ष्म संरचना नियतांक, α के माप के रूप में सम्मलित हैं। जो इस प्रकार के मापों की निरंतरता की जाँच कर भौतिकी सिद्धांत का परीक्षण करता है।

सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के प्रयोगात्मक परिणामों की तुलना करके सिद्धांत के परीक्षण सामान्यतः रूप में किए जाते हैं। तथा क्यूईडी की तुलना में कुछ सूक्ष्मता होती है, जो सैद्धांतिक भविष्यवाणियों को इनपुट के रूप में α के अत्यंत यथार्थ मान के रूप में आवश्यक होती है, जिसे केवल एक अन्य यथार्थ क्यूईडी प्रयोग से प्राप्त किया जा सकता है। इस वजह से सिद्धांत और प्रयोग के बीच की तुलना को सामान्यतः α के स्वतंत्र निर्धारण के रूप में उद्धृत किया जाता है। क्यूईडी की इस सीमा तक पुष्टि की जाती है कि विभिन्न भौतिक स्रोतों से α के ये माप एक दूसरे से सहमत होते हैं।

इससे पता चला कि इस प्रकार एक बिलियन 10⁻⁸ के दस भागों के समान होता है अर्थात् जैसा कि नीचे वर्णित इलेक्ट्रॉन विषम चुंबकीय द्विध्रुवीय आघूर्ण की तुलना से होता है और नीचे बताए परमाणु पुनरावृत्ति मापन से रिडबर्ग स्थिरांक की तुलना पर आधारित होता है। यह क्यूईडी को अब तक निर्मित सबसे यथार्थ भौतिक सिद्धांतों में से एक बनाता है।

सूक्ष्म-संरचना स्थिरांक के इन स्वतंत्र मापों के अतिरिक्त क्यूईडी 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 क्यूईडी के यथार्थ परीक्षण किए जाते है। इनमें से प्रत्येक प्रयोग में α का मान एक सैद्धांतिक अभिव्यक्ति के रूप में होता है और इस प्रकार उच्च-क्रम पुनर्सामान्यीकरण के लिए एक प्रयोगात्मक माप को फिट करके प्राप्त किया जाता है जिसमें α एक मापदण्ड के रूप में सम्मलित होता है। और α के निकाले गए मूल्य में अनिश्चितता में प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक अनिश्चितता के रूप में सम्मलित है। इस प्रकार इस फलन के लिए उच्च परिशुद्धता माप और उच्च परिशुद्धता सैद्धांतिक की गणना के लिए दोनों की आवश्यकता होती है। जब तक कि इसे नोट नहीं किया जाता है नीचे दिए गए सभी परिणाम ले लिए जाते हैं।

कम-ऊर्जा माप

विषम चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण

Α का सबसे यथार्थ माप इलेक्ट्रॉन के विषम चुंबकीय द्विध्रुवीय आघूर्ण या g-2-कारक (भौतिकी) उच्चारण जी माइनस 2 के रूप में होता है। इस माप को बनाने के लिए दो सामग्रियों की आवश्यकता होती है।

1. विषम चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण का एक यथार्थ माप के रूप में है।
2. α के संदर्भ में विषम चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण की एक यथार्थ सैद्धांतिक गणना होती है।

फरवरी 2007 तक, हार्वर्ड विश्वविद्यालय में गेराल्ड गेब्रियल स 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 जाता है। 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) ओरिएंटेशन की परिमाणित ऊर्जाओं की तुलना में साइक्लोट्रॉन कक्षाओं या इलेक्ट्रॉन के लैंडव स्तर की परिमाणित ऊर्जाओं के रूप में कार्य करता है और इस प्रकार अत्यंत उच्च परिशुद्धता माप इलेक्ट्रॉन के स्पिन जी-कारक भौतिकी के लिए एक मान प्रदान करता है।

g/2 = 1.00115965218085(76),

एक खरब में एक भाग से श्रेष्ठतर की एक परिशुद्धता के रूप में होते है। और इस प्रकार कोष्ठकों में अंक माप के अंतिम सूचीबद्ध अंकों में मानक अनिश्चितता का संकेत दर्शाते हैं।

इलेक्ट्रॉन के विषम चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण की वर्तमान अत्याधुनिक सैद्धांतिक गणना में अधिकतम चार लूपों के साथ क्यूईडी आरेख के रूप में सम्मलित हैं। और इसे जी के प्रायोगिक माप के साथ जोड़कर α का सबसे यथार्थ मान प्राप्त होता है

a⁻¹ = 137.035999070(98),

एक खरब में एक भाग से श्रेष्ठतर की एक परिशुद्धता के रूप में होते है। और यह अनिश्चितता परमाणु-पुनरावृत्ति माप से जुड़े निकटतम प्रतिद्वंद्वी विधि से दस गुना छोटी होती है।

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

g/2 = 1.0011659208(6),

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

परमाणु-पुनरावृत्ति माप

यह α को मापने का एक अप्रत्यक्ष विधि के रूप में है, जो इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान कुछ परमाणुओं और रिडबर्ग स्थिरांक के मापन पर आधारित होते है । और इस प्रकार रिडबर्ग 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 रिडबर्ग स्थिरांक के रूप में 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, ^87rb रूबिडीयाम परमाणु परमाणु संक्रमण में ज्ञात तरंग दैर्ध्य के एक फोटॉन को उत्सर्जित करने के बाद परमाणु की पुनरावृत्ति गति को गति को को मापती है। और इसे ⁸⁷Rb परमाणु के इलेक्ट्रॉन के अनुपात के साथ सयोजित होकर α का परिणाम प्राप्त करते है ,

a⁻¹ = 137.03599878(91).

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

न्यूट्रॉन कॉम्पटन वेवलेंथ

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

α⁻¹ = 137.0360101(54).

हाइपरफाइन स्प्लिटिंग

हाइपरफाइन स्प्लिटिंग एक परमाणु के ऊर्जा स्तरों में एक विभाजन के रूप में होता है, जो परमाणु नाभिक के चुंबकीय क्षण और संयुक्त स्पिन (भौतिकी) और इलेक्ट्रॉन के कक्षीय चुंबकीय क्षण के बीच क्रिया के कारण होता है। नॉर्मन रैमसे के हाइड्रोजन मेसर का उपयोग करके मापा जाता है और इस प्रकार हाइड्रोजन में हाइपरफाइन विभाजन बड़ी सटीकता के रूप में जाना जाता है। दुर्भाग्य से प्रोटॉन की आंतरिक संरचना का प्रभाव इस बात को सीमित करता है कि सैद्धांतिक रूप से बंटवारे की यथार्थ 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 यथार्थ माप प्रदान करता है क्योंकि म्यूऑन की कोई आंतरिक संरचना नहीं होती है

α⁻¹ = 137.035994(18).

लैम्ब शिफ्ट

लैम्ब शिफ्ट की ऊर्जाओं में एक छोटा सा अंतर 2s_1/2 और 2 p_1/2 के रूप में होता है और इस प्रकार हाइड्रोजन परमाणु, जो क्वांटम विद्युत् गतिकी में एक-लूप प्रभाव से उत्पन्न होता है। लैम्ब शिफ्ट α⁵ के समानुपाती होता है और इसका माप निकाला गया मान प्रदान करता 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, और इस प्रकार पॉज़िट्रोनियम बनाने वाले कणों की कोई आंतरिक संरचना नहीं होती है इसलिए यथार्थ सैद्धांतिक गणना की जा सकती है। और इस प्रकार 2³s₁ के बीच विभाजन का माप और 1³s₁ पॉज़िट्रोनियम की प्रमाणिकता का ऊर्जा स्तर प्रदान करता है

α⁻¹ = 137.034(16).

Α की माप पॉजिट्रोनियम क्षय दर से भी निकाली जा सकती है। जबकि 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 ¹s₀ स्टेट के रूप में उत्पन्न होते है

α⁻¹ = 137.00(6),

और ट्रिपलेट ऑर्थो-पॉजिट्रोनियम की क्षय दर ³s₁ स्टेट के रूप में उत्पन्न होते है

α⁻¹ = 136.971(6).

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

उच्च-ऊर्जा क्यूईडी प्रक्रियाएं

उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर पर उच्च-क्रम क्यूईडी प्रतिक्रियाओं का क्रॉस सेक्शन (भौतिकी) α का निर्धारण प्रदान करता है। और इस प्रकार 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 सामान्यतः केवल प्रतिशत-स्तर की सटीकता प्राप्त करते हैं, लेकिन उनके परिणाम कम ऊर्जा पर उपलब्ध यथार्थ माप के अनुरूप होते हैं।

$e^{+}e^{-}\to e^{+}e^{-}e^{+}e^{-}$ के लिए क्रॉस सेक्शन प्रमाणिकता के ऊर्जा स्तर के रूप में होते है

ए⁻¹ = 136.5(2.7),

और $e^{+}e^{-}\to e^{+}e^{-}\mu ^{+}\mu ^{-}$ के लिए क्रॉस सेक्शन प्रमाणिकता के ऊर्जा स्तर के रूप में होते है

a⁻¹ = 139.9(1.2).के रूप में दिखते है

संघनित पदार्थ प्रणाली

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

क्वांटम हॉल प्रभाव के रूप में उत्पन्न होते है

α⁻¹ = 137.0359979(32),

और ए सी जोसेफसन प्रभाव के रूप में दिखते है

α⁻¹ = 137.0359770(77).

अन्य परीक्षण

• क्यूईडी भविष्यवाणी करता है कि फोटॉन एक द्रव्यमान रहित कण के रूप में होता है। जो विभिन्न प्रकार के अत्यधिक संवेदनशील परीक्षणों ने सिद्ध 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 नियम को उच्च सटीकता पर जांच कर काम करता है, क्योंकि कूलम्ब के नियम को संशोधित किए जाने पर फोटॉन का द्रव्यमान शून्य रूप में है नहीं होता है। फोटॉन § फोटॉन द्रव्यमान पर प्रायोगिक जांच के रूप में दिखाते है।
• क्यूईडी भविष्यवाणी करता है कि जब इलेक्ट्रॉन एक-दूसरे के बहुत नजदीक आते हैं, तो वे ऐसा व्यवहार करते हैं जैसे कि वैक्यूम ध्रुवीकरण के कारण उनके पास उच्च विद्युत आवेश होता है। जापान में केइके कण त्वरक का उपयोग करके 1997 में इस भविष्यवाणी को प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित किया गया था।
• क्यूईडी 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 ²⁰⁹Bi⁸⁰⁺ और ²⁰⁹Bi⁸²⁺ के रूप में होते है और इस प्रकार आयनों ने 7 से अधिक मानक अनिश्चितताओं द्वारा सिद्धांत से विचलन प्रकट किया है। और इस प्रकार संकेत बताते हैं कि यह विचलन परमाणु चुंबकीय क्षण के गलत मान ²⁰⁹Bi से उत्पन्न हो सकता है।

यह भी देखें

• क्यूईडी वैक्यूम
• ईओटवोस प्रयोग, गुरुत्वाकर्षण का एक और बहुत उच्च सटीकता परीक्षण सत्यापित किया है।

बाहरी संबंध

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