2. Поляризация вакуума. Наблюдение Лэмбовского сдвига.

Суть эффекта: В квантовой электродинамике лэмбовский сдвиг объясняется влиянием на электрон порождаемого им электромагнитного поля и зависит от энергетического состояния электрона. Согласно квантовой теории поля, вакуум представляет собой поляризуемую среду: электрический заряд в вакууме окружён облаком виртуальных электрон позитронных пар, которые частично экранируют заряд (см.с. 11.7).

Когда электрон приближается к атомному ядру, он проникает в облако виртуальных пар, что ведёт к возрастанию взаимодействия между ядром электроном. Этот эффект достаточно велик для экспериментальной проверки. Сдвиг уровней, наблюдаемых в эксперименте Лэмба,  это небольшое отклонение тонкой структуры уровней энергии водородоподобных атомов от предсказаний релятивистской квантовой механики, основанных на уравнении Дирака. Согласно точному решению этого уравнения, атомные уровни энергии являются

Рис. 11.7. Экранировка электрического заряда в КЭД

двукратно вырожденными: энергии состояний с одинаковым главным квантовым числом n=1,2,3... и одинаковым квантовым числом полного момента должны совпадать независимо от двух возможных значений орбитального квантового числа l=j1/2=n-1.

Однако Лэмб и Резерфорд методом радиоспектроскопии обнаружили расщепление уровней 2S_1/2(n=2, l=0, j=1/2) и 2P_1/2(n=2, l=1, j=1/2) в атоме водорода, которые согласно теории Дирака должны были совпадать. Величина сдвига пропорциональна ³R, где  постоянная тонкой структуры, R постоянная Ридберга, основной вклад в которую дают два эффекта:

1. испускание и поглощение связанным электроном виртуальных фотонов, что приводит к изменению эффективной массы электрона и возникновению у него аномального магнитного момента;

2. Возможность виртуального рождения и аннигиляции в вакууме электронно-позитронных пар (т.н. поляризация вакуума), что искажает кулоновский потенциал ядра на расстояниях порядка комптоновской длины волны электрона (410^-11см).

Разница в энергии, найденная Лэмбом и Резерфордом для перехода 2Р_1/22S_1/2, составила ~1060 МГц.

4. Конфаймент. Антиэкранировка цветного заряда.

В КХД, являющейся теорией сильного взаимодействия

Конфа́йнмент (Confinement — удержание [цвета]) — явление в физике элементарных частиц, состоящее в невозможности получения кварков в свободном состоянии, поскольку в экспериментах наблюдаются только агрегаты кварков, состоящие из двух (мезоны) или трёх (барионы) кварков. Тем не менее, имеются веские указания в пользу того, что сами кварки существуют: кварки хорошо описывают систематику элементарных частиц и наблюдаются внутри них в качестве партонов при глубоко неупругих столкновениях.

Для объяснения удержания предполагалось, что цветовой заряд, которым обладают кварки, имеет свойство так называемого антиэкранирования. Антиэкранирование. происходит из-за того, что переносчики сильного взаимодействия — глюоны сами обладают цветовым зарядом и в процессе движения как бы «порождают новые глюоны из вакуума» и тем усиливают взаимодействие. В результате кварки притягиваются тем сильнее, чем дальше они друг от друга (см. рис. 11.8). Гипотеза кварков помогла классифицировать многочисленные экзотические адроны и их резонансы, а также хорошо объяснила многие физические эффекты: сечение

столкновения адронов, формирования «струй адронов» («hadron jets») при глубоко неупругих столкновениях двух адронов. На гипотезе наличия кварков строится квантовая теория поля сильного взаимодействия — квантовая хромодинамика (КХД), которая и пытается описать свойство конфайнмента математически точным языком. Согласно КХД глюоны участвуют в сильном взаимодействии не только с кварками, но и с другими глюонами. В этом коренное отличие КХД от КЭД, где квант поля (фотон) не несёт заряда и диаграмма, приведённая на рис 11.8 с участием фотонов невозможна. В то же время чисто глюонные узлы приводят к антиэкранировке цветового заряда.

Рис. 11.8. Антиэкранировка цветового заряда

За счёт межглюонного взаимодействия цветовой заряд кварка, измеряемый пробным зарядом, уменьшается при приближении пробного заряда к кварку. Диаграмму, показанную на рис. 11.8, по этой причине называют диаграммой антиэкранировки. Влияние диаграмм антиэкранироки в КХД преобладает над влиянием диаграмм экранировки и, сближаясь, два кварка будут «чувствовать» всё более ослабленные цветовые заряды друг друга и сила их цветового взаимодействия будет ослабевать. В пределе очень малых расстояний кварки перестают взаимодействовать и ведут себя как свободные (асимптотически свободными).

Асимптотическая свобода — физический эффект, возникающий в некоторой калибровочной теории, в которой взаимодействие между частицами, такими как кварки, становится каким угодно малым при уменьшении расстояния между частицами. Другими словами в асимптотическом пределе r→0 частицы перестают взаимодействовать и становятся свободными.

Лекция 12. Слабые взаимодействия. Несохранение чётности в слабых взаимодействиях