Введение к работе
Актуальность проблемы. Результаты экспериментов с атомом водорода внесли большой вклад в создание и развитие квантовой механики. Открытие лэмбовского сдвига в атоме водорода оказало решающее влияние на развитие наиболее точной на сегодняшний день теории в атомной физике - квантовой электродинамики (КЭД). Прецизионные измерения лэмбовского сдвига в водороде и водородоподобных системах позволили провести экспериментальную проверку методов КЭД, подтвердив чрезвычайно высокую точность расчетов [Eides et al. 2001]. В настоящее время расчеты КЭД широко используются при определении значений ряда фундаментальных констант, таких как постоянная Ридберга [Schwob et al. 1999], отношения масс электрона и протона [Gabrielse et al. 1999] и постоянной тонкой структуры [Gabrielse et al. 2006].
Экспериментальная проверка КЭД с помощью атома водорода сталкивается с ограничением, возникающим из-за эффектов, учет которых в рамках одной только КЭД невозможен. В первую очередь, это влияние внутренней структуры протона на энергию переходов в электронной оболочке. Наличие структуры ядра приводит к сдвигу уровней водорода, для учета которого необходимо знать зарядовый радиус протона. Погрешность определения этой величины играет главную ограничивающую роль как в большинстве тестов КЭД [Karshenboim 2005], так и при определении постоянной Ридберга [Schwob et al. 1999].
Одним из методов, позволяющих выполнять чувствительные тесты квантовой электродинамики в водородоподобных системах, является измерение сверхтонкого расщепления. С экспериментальной точки зрения такие тесты оказываются привлекательны, поскольку сверхтонкое расщепление основного состояния может быть измерено с высокой точностью [Cheng et al. 1980]. Наивысшая чувствительность достигнута в экспериментах с мюонием (/i+e~), частота сверхтонкого расщепления в котором
может быть точно вычислена в рамках КЭД, поскольку и мюон, и электрон являются бесструктурными частицами. Однако, точность вычисления сверхтонкого интервала для систем, ядра которых содержат кварки (адронные системы), также оказывается сильно ограничена неопределенностью ядерной структуры.
Вместе с тем, существует способ осуществления экспериментальных проверок некоторых расчетов КЭД высоких порядков с помощью измерения сверхтонкого расщепления в адронных системах. Для его реализации вычисляются некоторые специфические комбинации из частот переходов, которые можно измерить с большой точностью. Наибольшая чувствительность достигается при исследовании разности D'i\ = 8Fhfs(2s) — Fhfs(1s), в которой F^Fsins) обозначает частоту сверхтонкого расщепления уровня ns [Karshenboim, Ivanov 2002]. В указанной разности вклад от ядра, обратно пропорциональный п3, практически полностью сокращается, за счет чего величина 1 может быть вычислена с помощью аппарата КЭД. На сегодняшний день точность вычисления 1 в атоме водорода составляет 5 Гц [Karshenboim 2005]7 что превышает экспериментальную точность, равную 130 Гц [Kolachevsky et al.
2004].
Основной вклад в экспериментальную погрешность 1 дает измерение сверхтонкого расщепления уровня 2s [Kolachevsky et al. 2004], в то время как сверхтонкое расщепление основного состояния известно с погрешностью около 1 мГц. Таким образом, актуальной задачей является снижение погрешности измерения частоты сверхтонкого расщепления уровня 2s в атоме водорода.
Целью диссертационной работы является оптическое измерение частоты сверхтонкого расщепления уровня 2s в атоме водорода для проверок малых вкладов КЭД кулоновских систем и задач прецизионной спектроскопии перехода ls-2s.
Основные задачи, решаемые в диссертационной работе.
Построение высокостабильной лазерной системы для оптического измерения частоты сверхтонкого расщепления уровня 2s. Требуемая относительная стабильность частоты должна составлять несколько единиц в пятнадцатом знаке на временах усреднения до 1000 с без учета линейного дрейфа.
Исследование влияния частотно-фазовых шумов лазерной системы на спектроскопию двухфотонных резонансов.
Измерение с помощью созданной лазерной системы частоты сверхтонкого расщепления уровня 2s.
Научная новизна.
Создана новая сверхстабильная лазерная система на основе полупроводникового лазера 972 нм с низким уровнем фазового шума. Четвертая гармоника системы (243 нм) имеет мощность 20 мВт, причем не менее 98% мощности содержится в узком центральном пике, что достаточно для эффективного возбуждения двухфотонного перехода ls-2s в атоме водорода.
Выполнено измерение частоты сверхтонкого расщепления уровня 2s в атоме водорода с рекордной точностью. Точность измерения в 2.4 раза превышает опубликованное ранее значение.
Проведено исследование влияния быстрых фазовых шумов с ограниченными флуктуациями фазы на двухфотонные резонансные процессы. В случае резонансов когерентного пленения населенности (КПН) в щелочных атомах впервые получено аналитическое выражение для фактора подавления контраста при возбуждении такими полями.
В диссертационной работе защищаются следующие положения
На базе полупроводникового лазера с внешним резонатором (972 нм) создана лазерная система для спектроскопии двухфотонного резонанса ls-2s в водороде. Лазерная система обладает, спектральной шириной излучения менее 0.5 Гц и характерным дрейфом частоты около 50 мГц/с. Аллановская девиация частоты находится, на уровне 5 * 10~15 на, интервале от 0.1 до 1000 с коррекцией, на, линейный дрейф. Среднеквадратичный остаточный фазовый, шум лазерной, системы находится, на, уровне фгта = 0.032 рад.
Экспериментально измеренное сверхтонкое расщепление уровня 2s в атоме водорода составляет 177 556 834-3(6.7) Гц.
Теоретически показано, что для источника бихромлтического излучения коротко-коррелированные шумы разностной фазы приводят, к уменьшению контраста резонанса когерентного пленения населенности. Фактор подавления контраста составляет ехр(—4>^.та) в случае нормального распределения, фазы, с шириной фгта.
Научная ценность работы состоит в получении нового значения для одного из фундаментальных интервалов в атоме водорода - частоты сверхтонкого расщепления уровня 2s. Погрешность измерения частоты сверхтонкого расщепления уровня 2s уменьшена в 2.4 раза по сравнению с предыдущим измерением. Лазерная установка, созданная в ходе выполнения работы, эффективно используется для спектроскопии перехода ls-2s в водороде, что открывает возможность уточнения изотопического сдвига на переходах ls-2s в водороде и дейтерии, а также абсолютной частоты перехода ls-2s. Теоретическое исследование влияния частотно-фазовых шумов на спектроскопию двухфотонных резонансов, выполненное в ходе работы над диссертацией, важно для исследований резонансов когерентного пленения населенностей
в атомных системах с помощью источников бихроматического излучения с активной фазовой привязкой.
Достоверность и обоснованность полученных результатов базируется на использовании апробированных методик, развитых ведущими лабораториями мира и подтверждается публикациями в рецензируемых научных журналах и обсуждениями на международных конференциях. Новое значение частоты сверхтонкого расщепления, полученное в данной работе, находится в хорошем согласии с менее точным опубликованным ранее значением, а также с теоретическим предсказанием.
Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в работах [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8] и обсуждались на конференциях:
ICONO/LAT 2007, 28 мая - 1 июля 2007, Минск, Беларусь [9]
ACFC 2007, 4-7 июля 2007, Bad Honnef, Germany [10]
GRLS 2008, 12-18 апреля 2008, Luebeck, Germany [11]
Личный вклад автора. Автор внес решающий вклад в результативную часть диссертационной работы. Им разработана и создана лазерная система, использованная для измерения сверхтонкого расщепления уровня 2s в атоме водорода. С его участием был разработан и реализован новый метод стабилизации оптических резонаторов, позволяющий достичь предела теплового шума при минимальном дрейфе частоты на уровне 50 мГц/с. Автором выполнено измерение частоты сверхтонкого расщепления и проведен анализ экспериментальных данных. Теоретически исследовано влияние частотно-фазовых шумов на двухфотоиные резонансные процессы в водороде и щелочных металлах.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 118 страницах, состоит из введения, четырех глав и заключения,
содержит 45 иллюстраций и список цитируемой литературы из 85 наименований.
