Протон все-таки меньше, чем думали

Новый эксперимент по лазерной спектроскопии водорода подтвердил, что радиус протона отличается от предсказанного теорией. Придется ли пересматривать теорию, пока не ясно.

Водород - самый простой из всех химических элементов. Он состоит из протона и электрона. Квантовая электродинамика позволяет вычислить его энергетические уровни с точностью до 12 цифр.

Благодаря этому водород играет важную роль в нашем понимании природы. На исследованиях водорода основано определение некоторых фундаментальных констант, например, радиуса протона и константы Ридберга, используемой для расчетов уровней энергии и частот излучения атомов.

При лазерной спектроскопии атомы облучают лазером, они поглощают лазерное излучение и возбуждаются. Возбужденные атомы сами излучают, и это излучение исследуется. Благодаря тому, что мюон значительно тяжелее электрона, он расположен в атоме ближе к ядру и лучше «чувствует» размер протона. Из-за этого радиус протона на семь порядков сильнее влияет на спектральные линии мюонного водорода, чем в обычном водороде.

Это и позволило определить радиус протона с высокой точностью. В обсуждениях результата 2010 года некоторые физики даже высказали предположение, что это может быть связано с выходом за пределы Стандартной Модели – современной теории элементарных частиц. То есть с так называемой «новой физикой», которую уже давно ищут исследователи всего мира.

Для решения возникших вопросов были необходимы новые измерения с высокой точностью и, по возможности, с использованием разных экспериментальных подходов. И вот спустя семь лет физики из Института квантовой оптики им. Макса Планка (Германия) при участии российских исследователей из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН и Российского квантового центра (Сколково) провели высокоточные спектроскопические измерения для обычного водорода и подтвердили результаты 2010 года как для радиуса протона, так и для постоянной Ридберга. Результаты исследований опубликованы в журнале «Science».

Точность определения частоты излучения достигала 15 цифр. Такая высокая точность стала возможной благодаря изобретению «оптических гребенок», за которое руководитель отдела лазерной спектроскопии, где была выполнена работа, профессор Теодор Хенш был удостоен Нобелевской премии по физике в 2005 году. Исследователи преодолели и ряд других сложностей.

По сравнению с предыдущими экспериментами, в которых использовались атомы комнатной температуры, в новом эксперименте атомы имели существенно более низкую температуру 5,8 Кельвина и, следовательно, значительно меньшую скорость. Это, вместе с применением специальных методов, сильно подавило доплеровские сдвиги частоты, которые составляли самый большой источник помех при измерениях.

Еще одним источником неопределенности в этом эксперименте была так называемая квантовая интерференция – взаимное влияние излучений атомов на разных частотах. Дело в том, что невозможно получить излучение, соответствующее только одному энергетическому переходу электрона в атоме. Чтобы описать влияние квантовой интерференции, ученые провели сложные численные моделирования, которые позволили повысить точность определения частот, очистив их от «квантового шума».

Причина того, что радиус протона меньше предсказанного теорией, пока остается невыясненной, хотя близость результатов для мюонного и обычного водорода заставляет авторов исследования сомневаться, что это связано с «новой» физикой. Исследования будут продолжены.

По материалам Института квантовой оптики им. Макса Планка