Lecture Notes in Physics 745
Precision Physics of Simple Atoms and Molecules
Bearbeitet von
Savely G Karshenboim
1. Auflage 2007. Buch. xiv, 286 S. Hardcover
ISBN 978 3 540 75478 7
Format (B x L): 15,5 x 23,5 cm
Gewicht: 1330 g
Weitere Fachgebiete > Physik, Astronomie > Physik Allgemein
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Contents
Looking Through Simple Atoms and Molecules
at Fundamental Physics
S. G. Karshenboim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1
4
Part I Precision Measurements and Fundamental Constants
The Muon g –2: Status and Perspectives
F. Jegerlehner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 Lepton Magnetic Moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 The BNL Muon g − 2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Standard Model Prediction for aμ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1 The Universal QED Contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Mass-Dependent QED Contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Weak Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Hadronic Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 Theory Confronting the Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 Prospects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Guide for Atomic and Particle Physicists into CODATA’s
Recommended Values of the Fundamental Physical Constants
S. G. Karshenboim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 The Adjustment of the Fundamental Constants:
A General View . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 The Adjustment of the Fundamental Constants: The Data . . . . . . . . .
4 Electrical Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 Recommended Values and the ‘Less Accurate’ Original Results . . . . .
9
9
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X
Contents
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7
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14
The Fine Structure Constant α and Related Data . . . . . . . . . . . . . . . .
The Planck Constant h and Related Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
The Newtonian Constant of Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
The Fundamental Constants and Their Numerical Values . . . . . . . . . .
Microscopic and Macroscopic Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reliability of the Input Data and the Recommended Values . . . . . . . .
Proton Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Muon Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Impact of a Redefinition of the Kilogram
on Values of the Fundamental Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15 Legacy of the Adjustment of the Fundamental Constants . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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50
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Part II Proton Structure and Hydrogen Energy Levels
Precise Radii of Light Nuclei from Electron Scattering
I. Sick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Proton Charge Radius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Radius of Magnetization Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 Zemach Moment of Proton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 Effect of Two-Photon Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 Third Zemach Moment of Proton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 Deuteron Radius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8 Radii of A = 3 Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9 Radius of 4 He . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10 Heavier Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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75
Nucleon Form Factor Measurements in Mainz:
Past and Future
J. C. Bernauer for the A1 collaboration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Mainz Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 The Mainz LINAC era . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 The MAMI B era . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 The MAMI C era . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Conclusion and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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79
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81
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90
90
Contents
XI
Proton Structure Corrections to Hydrogen Hyperfine
Splitting
C. E. Carlson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2 Hyperfine Splitting Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
2.1 Elastic Terms: The Zemach Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.2 Elastic Terms: Recoil Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.3 Inelastic Terms: Polarizability Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3 Re-evaluation of Δpol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4 Comments on the Derivations of the Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Part III Atoms with Few Electrons
Precision Laser Spectroscopy of Li+ and Neutral Lithium
W. A. van Wijngaarden and G. A. Noble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
2 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3 Li+ (1s)2 3 S → 1s2p 3 P Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4 Li D Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Halo Nuclei in Laser Light
G. W. F. Drake, Z.-T. Lu, W. Nörtershäuser, and Z.-C. Yan . . . . . . . . . . 131
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
2 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
2.1 Solution to the Nonrelativistic Schrödinger
Equation for Helium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
2.2 Variational Basis Sets for Lithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
2.3 Relativistic Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
2.4 QED Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3 Theoretical Isotope Shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4 6 He Isotope Shift and Nuclear Radius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5 Experiments in Lithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.1 Experimental Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6 Discussion and Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
XII
Contents
Part IV Exotic Atoms and Heavy Ions
Quantum Electrodynamics in Extreme Fields: Precision
Spectroscopy of High-Z H-like Systems
Th. Stöhlker, A. Gumberidze, M. Trassinelli, V. Andrianov,
H. F. Beyer, S. Kraft-Bermuth, A. Bleile, P. Egelhof, and The FOCAL
collaboration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
1 The Current Status of the Experimental and Theoretical
Investigations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
2 Next Generation Spectroscopic Experiments on High-Z H-like Ions . 159
3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Pionic Hydrogen
D. Gotta, F. Amaro, D. F. Anagnostopoulos, S. Biri, D. S. Covita,
H. Gorke, A. Gruber, M. Hennebach’, A. Hirtl, T. Ishiwatari,
P. Indelicato, Th. Jensen’, E.-O. Le Bigot, J. Marton, M. Nekipelov,
J. M. F. dos Santos, S. Schlesser, Ph. Schmid, L. M. Simons,
Th. Strauch, M. Trassinelli’, J. F. C. A. Veloso, and J. Zmeskal . . . . . . . 165
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
2 Pion–Nucleon Interaction at Threshold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
3 Scattering Lengths and Pionic Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
3.1 Pionic Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
3.2 Pionic Deuterium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4 Atomic Cascade in Pionic Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5 Experimental Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.1 Set-Up at PSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.2 Energy Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.3 Response Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.4 Muonic Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.1 Transition Energy and Hadronic Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.2 Line Width and Hadronic Broadening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.3 Scattering Length and Pion–Nucleon Coupling Constant . . . . . . 181
7 Summary and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Precision Spectroscopy of Antiprotonic Helium Atoms and
Ions – Weighing the Antiproton
R. S. Hayano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
2 Antiprotonic Helium Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
3 Principle of the p̄He+ Laser Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
4 Why Further p̄ Deceleration Using an “Inverse Linac” Is Needed? . . 191
Contents
XIII
5
6
Further Improvement Using an Optical Frequency Comb . . . . . . . . . . 193
The First Measurement of a Metastable-to-Metastable Transition
Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8 Summary and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Part V Simple Molecules
Precision Spectroscopy of Molecular Hydrogen Ions:
Towards Frequency Metrology of Particle Masses
B. Roth, J. Koelemeij, S. Schiller, L. Hilico, J.-P. Karr, V. Korobov,
and D. Bakalov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
+
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
2 Ab Initio Theory of H+
2 and HD
2.1 Variational Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
2.2 Leading-Order Relativistic and Radiative Corrections . . . . . . . . 209
2.3 R∞ α4 Order Corrections in the Nonrecoil Limit . . . . . . . . . . . . . 210
2.4 Hyperfine Structure of States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
2.5 Two-Photon Transition Probabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
3 Two-Photon Spectroscopy of H+
2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
3.1 H+
Level
Structure
.
.
.
.
.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
2
3.2 One-Photon Transitions: Photodissociation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
3.3 Two-Photon Transitions: Choice of the Transition . . . . . . . . . . . . 217
3.4 Experimental Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
3.5 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
3.6 Two-Photon Excitation Laser Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
4 Cooling and Spectroscopy of HD+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
4.1 Preparation and Characterization of Cold MHI Ensembles . . . . 222
4.2 Spectroscopy of HD+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
5 Conclusion and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Nuclear Magnetic Dipole Moments from NMR
Spectra – Quantum Chemistry and Experiment
M. Jaszuński and K. Jackowski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
2 NMR Shielding Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
2.1 NMR Effective Spin Hamiltonian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
2.2 Ab Initio Studies of NMR Shielding Constants . . . . . . . . . . . . . . 236
3 Comparison of the Gas-Phase NMR Spectra
with Ab Initio Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
3.1 Spin-Rotation Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
4 NMR Experiment in the Gas Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
XIV
Contents
5
Nuclear Magnetic Moments – A General Scheme
for Different Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
6 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.1 NMR Shielding Constants for the First- and
Second-Row Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.2 NMR Shielding Constants for the Third-Row and Heavier
Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7 Consistency of the New Values of Nuclear Magnetic Moments . . . . . . 249
7.1 New Values of the Nuclear Magnetic Dipole Moments . . . . . . . . 249
7.2 Derived Shielding Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
7.3 Accuracy of the Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
The Negative Ion of Positronium: Decay Rate Measurements
and Prospects for Future Experiments
F. Fleischer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
2 A Brief Survey of the Properties of Ps− . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
2.1 Ground-State Binding Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
2.2 Annihilation and Decay Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
2.3 Excitation and Resonances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
3 Experiments with the Negative Positronium Ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
3.1 Production of Ps− . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
3.2 Measurements of the Decay Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
3.3 Outlook: Current Status of the Decay Rate Measurements
and Prospects for Further Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283