QED의 정도검사

전기역학의 상대론적 양자장 이론인 양자전기역학(QED)은 물리학에서 가장 끈기 있게 시험된 이론 중 하나이다.QED의 가장 정밀하고 구체적인 시험은 다양한 물리적 시스템에서 전자기 미세구조 상수인 α의 측정으로 구성된다.그러한 측정의 일관성을 확인하는 것은 이론을 테스트한다.

이론의 테스트는 일반적으로 실험 결과를 이론적 예측과 비교함으로써 수행된다.QED에서 이론적 예측은 입력으로서 극히 정밀한 α 값을 요구하기 때문에, 다른 정밀 QED 실험에서만 얻을 수 있기 때문에, 이 비교에는 다소 미묘한 점이 있다.이 때문에 이론과 실험의 비교는 보통 α의 독립적 결정으로 인용된다. QED는 다른 물리적 출처에서 나온 α의 측정치가 서로 일치할 정도로 확인된다.

이러한 방법으로 발견된 합의는 아래 설명된 원자의 반동 측정에서 전자 변칙적인 자기 쌍극자 모멘트와 Rydberg 상수를 비교한 것에 기초하여 10억⁻⁸ 분의 10 part 이내로 한다.이로써 QED는 지금까지 구축된 물리 이론 중 가장 정확한 이론 중 하나가 되었다.

미세구조 상수에 대한 이러한 독립적인 측정 외에도 QED에 대한 많은 다른 예측도 시험되었다.

다양한 시스템을 이용한 미세구조 상수 측정

QED의 정밀 시험은 저에너지 원자물리학 실험, 고에너지 충돌기 실험, 응축 물질 시스템에서 수행되었다.이러한 각각의 실험에서 α 값은 α를 매개변수로 포함하는 이론적 표현(고차 복사 보정을 포함)에 실험적인 측정을 적합시켜 얻는다.α의 추출값의 불확실성에는 실험적인 불확실성과 이론적인 불확실성이 모두 포함된다.따라서 이 프로그램은 고정밀 측정과 고정밀 이론 계산이 모두 필요하다.달리 명시되지 않는 한, 아래의 모든 결과는 다음에서 얻는다.^[1]

저에너지 측정

비정상적인 자기 쌍극자 모멘트

α의 가장 정밀한 측정은 전자의 변칙적인 자기 쌍극자 모멘트, 즉 g-2("g 마이너스 2"로 발음)에서 나온다.^[2]이 측정을 위해서는 다음 두 가지 성분이 필요하다.

1. 변칙적인 자기 쌍극자 모멘트의 정확한 측정 및
2. α의 관점에서 변칙적인 자기 쌍극자 모멘트의 정밀한 이론적 계산.

2007년 2월 현재, 전자의 변칙적인 자기 쌍극자 모멘트에 대한 최선의 측정은 하버드 대학교의 제럴드 가브리엘스 그룹이 페닝 트랩에 걸린 하나의 전자를 사용하여 이루어졌다.^[3]전자 사이클로트론 주파수와 자기장 내 스핀 전열 주파수의 차이는 g-2에 비례한다.전자에서 가능한 두 개의 회전 방향의 정량화된 에너지와 비교하여 사이클로트론 궤도의 정량화된 에너지, 즉 란다우 수준에 대한 매우 높은 정밀 측정은 전자 스핀 g-요인에 대한 값을 제공한다.

g/2 = 1.00115965218085(76)

1조분의 1보다 나은 정밀도(괄호 안의 자릿수는 측정의 마지막 열거된 자릿수에서 표준 불확도를 나타낸다.)

전자의 변칙적인 자기 쌍극자 모멘트의 현재 최첨단 이론적 계산에는 최대 4개의 루프가 있는 QED 도표가 포함된다.이를 g의 실험 측정과 결합하면 α의 가장 정밀한 값이 나온다.^[4]

α⁻¹ = 137.035999070(98),

10억분의 1보다 나은 정밀도이 불확실성은 원자-레코일 측정을 포함하는 가장 가까운 경쟁 방법보다 10배 작다.

α의 값은 뮤온의 변칙적인 자기 쌍극자 모멘트에서도 추출할 수 있다.뮤온의 g-요인은 위의 전자와 동일한 물리적 원리를 사용해 추출한다. 즉, 자기장에서 사이클로트론 주파수와 스핀 프리세션 주파수의 차이는 g-2에 비례한다.가장 정밀한 측정은 브룩헤이븐 국립연구소의 뮤온 g-2 실험에서 나온 것으로 편광 뮤온은 사이클로트론에 저장되고 스핀 방향은 붕괴 전자의 방향에 의해 측정된다.^[5]2007년 2월 현재, 현재 세계 평균 뮤온 g-요인 측정치는,^[6]

g/2 = 1.0011659208(6),

10억분의 1 이상의 정밀도뮤온과 전자의 g-요인의 차이는 질량의 차이 때문이다.뮤온의 질량이 크기 때문에, 표준 모델 약한 상호작용과 하드론을 포함하는 기여에서 나온 변칙적인 자기 쌍극자 모멘트의 이론적 계산에 대한 기여는 현재 정밀도 수준에서 중요한 반면, 이러한 영향은 전자에 중요하지 않다.뮤온의 변칙적인 자기 쌍극자 모멘트는 초대칭과 같은 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학의 기여에도 민감하다.이 때문에 뮤온의 변칙적인 자기 모멘트는 QED의 테스트가 아닌 표준 모델을 넘어 새로운 물리학의 탐사로 주로 사용된다.^[7]측정을 세분화하기 위한 현재 노력은 muon g–2를 참조하십시오.

원자-레코일 측정

이것은 전자, 특정 원자, 라이드버그 상수의 질량을 측정하여 α를 간접적으로 측정하는 방법이다.뤼드베르크 상수는 1조분의 7부분으로 알려져 있다.세슘 원자와 루비듐 원자의 질량에 상대적인 전자의 질량도 극히 높은 정밀도로 알려져 있다.만약 전자 질량을 충분히 높은 정밀도로 측정할 수 있다면, α는 다음과 같은 류드베르크 상수에서 찾을 수 있다.

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

전자의 질량을 얻기 위해, 이 방법은 실제로 원자 전환에서 알려진 파장의 광자를 방출한 후 원자의 반동 속도를 측정하여 Rb 원자의 질량을 측정한다.이것을 전자 대 Rb 원자의 비율과 결합하면 α에 대한 결과는,^[8]

α⁻¹ = 137.035 998 78 (91).

이 측정은 위에서 설명한 전자의 변칙적인 자기 쌍극자 모멘트로부터 α를 측정하고 난 후의 다음 가장 엄격한 QED 시험을 제공하기 때문에 이들의 비교는 하늘을 나는 색상으로 통과한 QED의 가장 엄격한 시험을 제공한다: 여기서 얻은 α 값은 전자 변칙적인 마그에서 찾은 표준편차 범위 내에 있다.순 쌍극자 모멘트, 10억분의 10 이내에서 합의.

중성자 콤프턴 파장

이 α 측정 방법은 원자가레코일 방법과 원리가 매우 유사하다.이 경우 중성자에 대한 전자의 정확히 알려진 질량비가 사용된다.중성자 질량은 콤프턴 파장의 매우 정밀한 측정을 통해 높은 정밀도로 측정된다.그 다음 이것은 α를 추출하기 위해 뤼드베르크 상수의 값과 결합된다.결과는,

α⁻¹ = 137.036 010 1 (5 4).

초미세분할 때

초미세 분열은 핵의 자기 모멘트와 전자의 스핀과 궤도 자기 모멘트를 결합한 것 사이의 상호작용에 의해 발생하는 원자의 에너지 수준의 분열이다.램지의 수소 마저로 측정한 수소 속의 초미세 분열은 매우 정밀하게 알려져 있다.불행히도 양성자의 내부 구조의 영향은 이론적으로 얼마나 정확하게 분열을 예측할 수 있는지를 제한한다.이를 통해 α의 추출된 값이 이론적 불확실성에 의해 지배하게 된다.

α⁻¹ = 137.036 0 (3).

전자와 안티무온으로 구성된 "원자"인 뮤오늄의 초미세 분열은 뮤온의 내부 구조가 없기 때문에 α의 보다 정확한 측정을 제공한다.

α⁻¹ = 137.035 994 (18).

양고기 시프트

람 시프트는 수소의 2S와_1/2 2P_1/2 에너지 수준의 작은 차이로 양자 전기역학에서 1루프 효과에서 발생한다.램 시프트는 α에⁵ 비례하며 그 측정치는 추출된 값을 산출한다.

α⁻¹ = 137.036 8 (7).

포시트로늄

양전자는 전자와 양전자로 구성된 "원자"이다.일반 수소의 에너지 수치의 계산은 양성자의 내부 구조로부터의 이론적 불확실성에 의해 오염되는 반면, 양수소를 구성하는 입자들은 내부 구조가 없으므로 정밀한 이론적 계산을 수행할 수 있다.양전수율의 2S와₁ 1S₁ 에너지 수준 사이의 분할 측정

α⁻¹ = 137.034 (16).

α의 측정은 양전자 붕괴율에서도 추출할 수 있다.양전자는 전자와 양전자의 전멸을 통해 둘 이상의 감마선 광자로 분해된다.싱글렛("para-positronium") S 상태의 붕괴율₀

α⁻¹ = 137.00 (6),

그리고 삼중의 붕괴율("정형 포시트로늄") S₁ 상태 수율

α⁻¹ = 136.971 (6).

이 마지막 결과는 여기서 주어진 숫자들 사이의 유일한 심각한 불일치지만, 계산되지 않은 고차 양자 보정이 여기에 인용된 값을 크게 수정한다는 증거가 있다.

고에너지 QED 프로세스

고에너지 전자-양전자 충돌기에서 고차 QED 반응의 단면은 α의 결정을 제공한다.α의 추출값을 저에너지 결과와 비교하기 위해서는 진공 양극화로 인한 α의 런닝 등 고차 QED 효과를 고려해야 한다.이러한 실험은 일반적으로 백분율 수준의 정확성만을 달성하지만 그 결과는 낮은 에너지에서 사용할 수 있는 정밀 측정과 일치한다.

$e{\displaystyle {}^{}}$+ e -${\displaystyle {}^{}}$→ ${\displaystyle {}^{}}$-${\displaystyle {}^{}{}^{}}$ - e${\displaystyle {}^{}}$+ e - ${\displaystyle {}^{}{}^{}}$ -${\$ 수율의$$ 단면

α⁻¹ = 136.5 (2.7),

$그리고{\displaystyle {}^{}}$ e${\displaystyle {}^{}}$+ ${\displaystyle {}^{}{}^{}}$ -${\displaystyle {}^{}}$→ ${\displaystyle {}^{}{}^{}}$ -${\displaystyle {}^{}{}^{}}$ +${\displaystyle {}^{}{}^{}}$- ${\$ e$^{+}e$^{-}\$to$ e^{-}e$^{-}\mu ^{+}\mu ^{-}}}}$ 수율의$$ 단면

α⁻¹ = 139.9 (1.2).

응축 물질 시스템

양자 홀 효과와 AC 조셉슨 효과는 응축 물질 시스템에서 이국적인 양자 간섭 현상이다.이 두 가지 효과는 각각 표준 전기 저항과 표준 주파수를 제공하며, 이 주파수는 거시적 시스템에 대해 완전히 0인 보정으로 전자의 전하를 측정한다.^[9]

양자 홀 효과는 산출된다.

α⁻¹ = 137.035 997 9 (3 2),

AC 조셉슨 효과는

α⁻¹ = 137.035 977 0 (7 7).

기타 시험

• QED는 광자가 질량이 없는 입자라고 예측한다.여러 가지 매우 민감한 테스트에서 광자 질량이 0이거나 아니면 엄청나게 작다는 것이 입증되었다.예를 들어, 이러한 시험의 한 종류는 콜롱의 법칙을 수정하면 광자의 질량이 0이 되지 않기 때문에 콜롱의 법칙을 높은 정확도로 점검함으로써 작용한다.Photon#Experimental checks on Photon mass를 참조하십시오.
• QED는 전자가 서로 매우 가까워지면 진공 양극화로 인해 전하가 더 높은 것처럼 행동한다고 예측한다.이러한 예측은 1997년 일본의 TRISTAN 입자 가속기를 이용하여 실험적으로 검증되었다.^[10]
• 진공 양극화, 자기 에너지와 같은 QED 효과는 극도의 전자기장으로 인해 무거운 원자핵의 핵에 묶인 전자에 영향을 미친다.최근 Bi와⁸⁰⁺ Bi⁸²⁺ 이온의 지상 상태 초미세 분할에 대한 실험에서 7개 이상의 표준 불확실성에 의해 이론으로부터의 편차가 드러났다.^[11]이러한 편차는 Bi의 핵자기 모멘트의 잘못된 값에서 비롯될 수 있다는 것을 나타낸다.^[12]

참고 항목

• QED 진공 청소기
• Eötvös 실험, 또 하나의 매우 높은 정확도 시험, 중력.

참조

외부 링크

• PDG(입자 데이터 그룹)
• 2007년 7월 기준 뮤온 변칙 자기 모멘트 PDG 검토
• PDG 2007 전자 입자 특성 목록
• PDG 2007 뮤온의 입자 속성 목록