Автореферат (Квантовоэлектродинамические и корреляционные поправки к энергии основного состояния бериллиеподобных ионов)

САНКТ - ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиМАЛЫШЕВ Алексей ВладимировичКВАНТОВОЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ И КОРРЕЛЯЦИОННЫЕПОПРАВКИ К ЭНЕРГИИ ОСНОВНОГО СОСТОЯНИЯБЕРИЛЛИЕПОДОБНЫХ ИОНОВспециальность 01.04.02 – теоретическая физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург2015Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Шабаев Владимир МоисеевичОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наукЕрохин Владимир Анатольевич,главный научный сотрудник Санкт-ПетербургскогоПолитехнического Университета Петра Великогодоктор физико-математических наукНефедов Андрей Владимирович,ведущий научный сотрудник “Петербургского института ядерной физики им.

Б. П. Константинова”Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”Ведущая организация:Всероссийский научно-исследовательский институтметрологии имени Д. И. МенделееваЗащита состоится 24 декабря 2015 г. в 16.30 часов на заседании диссертационногосовета Д 212.232.24, созданного на базе Санкт-Петербургского государственногоуниверситета, по адресу: Санкт-Петербург, Средний пр. В.

О., д. 41/43, ауд. 304.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета и на сайте: http://spbu.ru/science/disser/Автореферат разослан “”2015 г.Учёный секретарь диссертационного совета,доктор физико-математических наукЕ. В.

АксеноваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыИнтерес к многозарядным ионам вызван прежде всего тем, что на электроны в них действует очень сильное электрическое поле. Подобные системыпредоставляют уникальную возможность для проверки новых методов расчета уровней энергии связанных состояний в рамках квантовой электродинамики (КЭД). Действительно, в отличие от легких атомов, в многозарядных ионах параметр αZ (α ≈ 1/137 — постоянная тонкой структуры,Z — заряд ядра) не является малым, например, для урана αZ ≈ 0.67.

Всвязи с этим все расчеты в многозарядных ионах следует выполнять непертурбативно по этому параметру. С другой стороны, относительно небольшое количество электронов в многозарядных ионах позволяет достаточноточно производить учет корреляционных эффектов. Успехи в экспериментальных исследованиях таких систем стимулировали развитие последовательной квантовоэлектродинамической теории многозарядных ионов. Настоящая работа посвящена расчетам энергий связи и потенциалов ионизации основного состояния бериллиеподобных ионов, выполненным в рамкахстрогого КЭД подхода.Цель работы1. Разработка численной процедуры расчета энергии основного состояниябериллиеподобных ионов, совмещающей строгое КЭД рассмотрение в первых двух порядках теории возмущений и учет старших корреляционныхэффектов в брейтовском приближении.2. Последовательный КЭД расчет энергий связи основного состояния в бериллиеподобных ионах в широком диапазоне 18 ≤ Z ≤ 96.3.

Прецизионный расчет потенциалов ионизации основного состояния бериллиеподобных ионов.Научная новизна работыВ диссертации получены следующие новые результаты:1. Выполнен прецизионный расчет энергий связи основного состояния в бериллиеподобных ионах в широком диапазоне значений заряда ядра 18 ≤Z ≤ 96.32. Выполнен высокоточный расчет потенциалов ионизации 2s электрона из1s22s2 состояния для бериллиеподобных ионов в диапазоне 16 ≤ Z ≤ 96.3. В расчетах учтены все КЭД вклады до второго порядка теории возмущений включительно и эффекты корреляционного взаимодействия во всехпорядках по 1/Z (старшие порядки в брейтовском приближении).

Произведен учет эффектов отдачи ядра и ядерной поляризации.4. Полученные в данной диссертации результаты для энергий связи и потенциалов ионизации основного состояния бериллиеподобных ионов являютсяв настоящее время наиболее точными теоретическими предсказаниями.Научная и практическая значимость работы1. Расчет энергий связи и потенциалов ионизации основного состояния бериллиеподобных ионов, выполненный в данной работе, является самым точным из существующих на данный момент. Достигнутая в расчетах точностьтеоретических предсказаний позволяет тестировать в бериллиеподобныхионах квантовую электродинамику связанных состояний (при том условии,что соответствующие эксперименты будут проведены с необходимой точностью).2.

Результаты прецизионных расчетов энергий связи и потенциалов ионизации могут быть использованы в масс-спектрометрии, поскольку данные величины позволяют связывать массы ионов с различным количеством электронов.Положения, выносимые на защиту1. Развита последовательная квантовоэлектродинамическая теория дляпрецизионных расчетов уровней энергии бериллиеподобных ионов.2. Проведены расчеты квантовоэлектродинамических и корреляционныхпоправок к энергии основного состояния в бериллиеподобных ионах.3. Получены наиболее точные теоретические предсказания для энергий связи и потенциалов ионизации основного состояния бериллиеподобных ионовв широком диапазоне значений заряда ядра 18 ≤ Z ≤ 96.Апробация работы и публикацииРезультаты работы были представлены на семинарах кафедры квантовоймеханики физического факультета СПбГУ, на международной конферен4ции в Вормсе (“11th Topical Workshop of the Stored Particles Atomic PhysicsResearch Collaboration”, Вормс, Германия, 2014), на международной конференции в Дубне (“Workshop on Precision Physics and Fundamental PhysicalConstants”, Дубна, Россия, 2014) и на международной конференции в Тренто (“The interplay between atomic and nuclear physics to study exotic nuclei”,Тренто, Италия, 2015).

Основные результаты диссертации опубликованыв двух статьях в ведущем мировом рецензируемом научном журнале изсписка Web of Science. Список публикаций приведен в конце автореферата.Личный вклад автораСодержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовкак публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные вдиссертации новые результаты получены лично соискателем или в неразделимом соавторстве.Структура и объем работыДиссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения и содержит 95страниц, 15 рисунков и 10 таблиц. Список литературы насчитывает 116наименований.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВведениеВо Введении обосновывается актуальность проведенного исследования,сформулированы основные цели и задачи диссертации, дано краткое содержание отдельных глав.Глава 1.

Релятивистская теория уровней энергии многозарядных ионовВ начале первой главы подчеркнуты основные экспериментальные и теоретические успехи в изучении энергий связи и энергий переходов в многозарядных ионах. Отмечено, что в литературе существуют указания на необходимость более строгого КЭД рассмотрения энергий бериллиеподобных5ионов [1] для улучшения точности имеющихся теоретических предсказаний.Теоретическое описание уровней энергии в многозарядных ионах начато с релятивистского одноэлектронного приближения, которому посвящен§1.1.

Приведено уравнение Дирака для электрона в кулоновском поле ядра.Данное уравнение является нулевым приближением при изучения многозарядных ионов в картине Фарри. Указано, что при исследовании основного состояния бериллиеподобных ионов удобно использовать “расширенное”представление Фарри, которое подразумевает следующую замену в уравнении Дирака: Vnucl (r) → Veff (r) = Vnucl (r) + Vscr(r). Локальный экранирующий потенциал Vscr (r) уже в нулевом приближении частично учитываетэффекты межэлектронного взаимодействия, что позволяет ускорить сходимость рядов теории возмущений.

Другое преимущество применения данного представления — в устранении квазивырождения с уровнем 1s2 (2p1/2)2.В §1.2 приведены основы метода двухвременной функции Грина [2]. Данный метод позволяет строить КЭД теорию возмущений для сдвигов уровнейэнергии связанных электронных состояний за счет взаимодействия электронов друг с другом и с квантованным электромагнитным полем. В §1.3данный метод применен к выводу формальных выражений для корреляционных поправок второго порядка (поправки от диаграмм двухфотонногообмена) для случая основного состояния бериллиеподобных ионов. Показано, что вклад несвязанных диаграмм исчезает, если его рассматриватьвместе с другими двух- и трехэлектронными вкладами.В §1.4 обсуждается устранение инфракрасных и ультрафиолетовых расходимостей в формальных выражениях, полученных методом двухвременной функции Грина.

Кроме того в данном параграфе рассмотрены вкладыот диаграмм экранированной собственной энергии.Глава 2. Расчеты уровней энергииВо второй главе дано описание процедур вычисления квантовоэлектродинамических и корреляционных поправок к энергии основного состоянияв бериллиеподобных ионах. В §2.1 рассмотрено вычисление вкладов от диаграмм одноэлектронной и двухэлектронной собственной энергии в импульс-6ном представлении. Выполнено угловое интегрирование во вкладах прямойи обменной частей свободной “вершинной” диаграммы. Фотонный пропагатор, соединяющий в данной диаграмме две различные электронные линии, рассмотрен в фейнмановской и кулоновской калибровках. Предъявлены контуры интегрирования в комплексной плоскости, которые применялись при вычислении вкладов от диаграмм двухфотонного обмена.