Международная группа ученых из Института квантовой оптики общества Макса Планка провела уникальный эксперимент, который поставил точку в многолетнем научном споре о радиусе протона. Суть проблемы заключалась в существенном расхождении данных между результатами спектроскопии обычного водорода и мюонного водорода. Новое исследование подтвердило меньший радиус ядра, на который ранее указывали мюонные данные, и с достоверностью 5,5σ окончательно опровергло устаревшие значения стандарта CODATA 2014.
Мюонный водород — это экзотическая форма атома, где место электрона занимает мюон. Будучи в 200 раз тяжелее своего «собрата», мюон вращается по орбите, расположенной гораздо ближе к ядру. Такая близость делает мюонный водород в 10 000 раз чувствительнее к физическим параметрам протона. Ранее результаты измерений на обычных и мюонных атомах противоречили друг другу, так как традиционные методы спектроскопии не обладали достаточной точностью для выявления систематических искажений.
Почему возникла загадка радиуса протона
Так называемая «загадка радиуса протона» (proton radius puzzle) стала настоящим вызовом для современной физики. Основные факторы конфликта включали:
- Мюонная точность. С 2010 года спектроскопия мюонного водорода начала показывать значения, кардинально отличающиеся от общепринятых.
- Статистический разрыв. Расхождение со стандартом CODATA 2014 достигало 5,6 стандартных отклонения (σ), что для физиков является критическим порогом, указывающим на ошибку в теории или измерениях.
- Внутренние противоречия. Последующие попытки перепроверить радиус в обычном водороде давали разрозненные данные, не позволяя ни подтвердить старую модель, ни полностью принять новую.
- Кризис теории. Эти противоречия поставили под сомнение точность квантовой электродинамики (КЭД) и всей Стандартной модели.
Невозможность примирить разные методы измерения вынудила исследователей провести сверхточные эксперименты, сфокусировавшись на переходе 2S–6P — высокоточном параметре, который описывает энергию возбуждения электрона из метастабильного состояния 2S (главное квантовое число n=2) в состояние 6P (n=6). Это позволило вычислить радиус заряда протона в 2,5 раза точнее, чем в предыдущих работах.
Изображение электронных орбиталей атома водорода, полученное с помощью квантового микроскопа в 2013 году.
Методология и чистота эксперимента
В основе нового эксперимента лежало измерение частоты перехода 2S–6P. Чтобы минимизировать доплеровские эффекты, ученые использовали криогенный пучок водорода при температуре 4,8 К. Атомы возбуждались лазером на длине волны 243 нм, а спектроскопию проводили на 410 нм. Для устранения систематических сдвигов применялись активный волоконный ретрорефлектор (AFR) и метод селекции атомов по скоростям, позволивший экстраполировать данные к нулевой скорости.
Особое внимание уделили сдвигу светового давления (LFS) и квантовой интерференции (QI):
- LFS: Его учитывали с помощью квантово-механического моделирования с функциями Вигнера.
- QI: Интерференцию путей возбуждения и распада подавили, выбрав «магический угол» поляризации лазера (56,5°) и расширив телесный угол сбора фотонов.
В результате удалось достичь беспрецедентной точности измерений на уровне 0,7 триллионных долей (ppt). Итоговое значение радиуса протона составило 0,8406(15) фм.
Вакуумная камера, используемая для измерения электронных переходов в атомарном водороде.
Результаты и перспективы
Достигнутая точность позволила протестировать поправки КЭД для связанных состояний с точностью 0,5 миллионных долей (ppm), что является самым строгим тестом на данный момент. Эти результаты также накладывают новые ограничения на возможное существование частиц за пределами Стандартной модели.
Работа открывает путь к новым исследованиям, включая переходы 2S–8D и 2S–4P. Авторы отмечают, что способность находить центр частоты перехода с точностью в 1/15 000 от ширины линии — выдающееся достижение для лазерной спектроскопии. Это превращает метод из простого инструмента измерения в мощный рычаг для поиска «новой физики».
