《氫分子離子HD+超精細結構理論與精確計算》是依託中國科學院精密測量科學與技術創新研究院，由史庭雲擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：氫分子離子HD+超精細結構理論與精確計算
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：史庭雲
- 依託單位：中國科學院精密測量科學與技術創新研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
氫分子離子HD+是最簡單的穩定異核分子體系，量子電動力學理論可以高精度預言其振轉躍遷頻率，HD+精密理論預言結合精密光譜實驗已成為提高質子電子質量比精度的優選體系。本項目擬開展HD+與自旋相關的相互作用的高階相對論與QED理論研究，發展有效的數值計算方法克服高奇異運算元期待值收斂慢的瓶頸，逐階分析不同類型自旋相互作用對振轉能級的貢獻，嚴格計算電子－質子、電子－氘核自旋自旋相互作用、電子自旋－軌道角動量相互作用的高階相對論修正和輻射修正，深層次理解HD+超精細結構；同時探索利用HD+精密振轉光譜及超精細躍遷測定氘核電四極矩的可行方案。本項目將直接為HD+精密光譜實驗振轉躍遷中心頻率的高精度確定提供理論支持, 結合HD+自旋無關的高階QED理論結果將為確定質子電子、質子氘核質量比提供必要和可靠的理論輸入值。本項目對於束縛態QED理論檢驗、基本物理常數及原子核性質的確定有重要的科學意義。
結題摘要
氫分子離子(H2+、HD+、D2+)是最簡單的穩定分子體系，其振轉躍遷頻率可由量子電動力學理論高精度計算。本結題項目原計畫開展HD+與自旋相關的相互作用的相對論與QED理論計算，深層次理解HD+超精細結構，並探索利用HD+超精細躍遷測定氘核電四極矩的可行方案。項目實施過程中，對原計畫研究內容進行了拓展：研究體系擴展到同核氫分子離子體系H2+和D2+；增加了自旋無關相互作用的相對論與QED理論計算；開展了外電場下氫分子離子場特性的研究。主要成果包括：（1）貝特對數項（Bethe Logarithm）的精確計算是QED修正計算中最困難的部分，本項目利用贗態求和方法(Drake-Goldman方法)實現了氫分子離子（H2+）貝特對數項ppb（十億分之一）精度的計算；（2）系統計算了H2+和HD+低能振轉態（振動量子數v=0-4，轉動量子數L=0-4）能級，包含相對論與QED修正領頭項的嚴格計算和高階修正的估算，整體理論預算精度達到0.4ppb，提出了利用HD+體系 (v=0,L=0)至(v=6,L=1)振轉躍遷確定質子電子質量比的方案；（3）系統計算了D2+體系振轉能級（v=0-4，L=0-4）相對論修正和相應的超精細結構常數，首次嚴格計算了氘核電四極矩對超精細劈裂的貢獻，結合QED修正的計算得到D2+體系(v=0,L=0)至(v=1,L=0)基振動躍遷頻率為47279981.638(25)MHz；（4）實現了非波恩-奧本海默近似下氫分子離子（H2+、HD+、D2+）基態和第一激發態電多極極化率和超極化率的高精度計算，為其他近似計算方法提供了檢驗基準，同時為分析相關實驗的外場效應提供了重要的理論依據。本項目的研究成果對於分子體系束縛態QED理論檢驗、質子電子質量比的確定以及原子核性質（質子電荷半徑、氘核電四極矩）的確定提供了關鍵的理論數據，並推動了國內精密測量物理實驗的開展。
