Каков истинный размер протона? Физики устранили пятнадцатилетнее расхождение в Стандартной модели

Более десяти лет Стандартная модель — наша главная теория устройства Вселенной — спотыкалась о простой, казалось бы, вопрос: «какого размера протон?». Разные методы давали разные результаты, и расхождение между ними составляло около 4%. Для точной науки, где счет идет на миллиардные доли процента, это был признак большой системной ошибки.

Новое исследование, проведенное командой Института квантовой оптики общества Макса Планка (Германия) и опубликованное в журнале Nature, нашло ответ. Ученые провели самое точное в истории измерение энергетических переходов в атоме водорода, подтвердив, что протон значительно компактнее, чем предполагалось в XX веке.

Анатомия проблемы

Простейший атом — водород — состоит из одного протона и одного электрона. Согласно законам квантовой механики, электрон может находиться только на строго определенных энергетических уровнях. Расстояние между этими уровнями (или частота испускаемого при переходе света) зависит от фундаментальных констант и, что особенно важно, от размера самого ядра — зарядового радиуса протона.

До 2010 года мировым стандартом считалось значение радиуса протона около 0,88 фемтометра (один фемтометр равен 10^-15 метра). Эта цифра была получена двумя классическими методами: рассеянием электронов на ядрах и лазерной спектроскопией обычного водорода.

Однако в 2010 году физики применили новый метод — спектроскопию мюонного водорода. В таком атоме электрон заменяется на мюон — нестабильную частицу, которая обладает тем же зарядом, но в 200 раз большей массой. Из-за своей массы мюон вращается по орбите, проходящей в 200 раз ближе к протону, чем орбита электрона. Это делает мюонный атом чрезвычайно чувствительным зондом.

Измерения на мюонном водороде дали результат: 0,84 фемтометра. Разрыв между электронным (0,88 фм) и мюонным (0,84 фм) значениями составил 5,6 стандартных отклонения. В статистике такой разрыв означает, что вероятность случайной ошибки практически равна нулю.

Физики оказались перед дилеммой. Либо один из экспериментов содержал ошибку, либо мюоны взаимодействуют с протонами иначе, чем электроны. Последнее означало бы нарушение принципа лептонной универсальности и существование неизвестной пятой силы природы.

Техническое решение: возвращение к водороду

Чтобы разрешить противоречие, немецкая группа исследователей вернулась к истокам — спектроскопии обычного атомарного водорода, но на принципиально новом технологическом уровне. Их целью было измерить частоту перехода электрона между уровнями 2S и 6P с точностью, достаточной для того, чтобы подтвердить или опровергнуть мюонные данные.

Главный враг точности в таких экспериментах — движение атомов. Тепловое движение размывает спектральные линии и сдвигает их частоту (эффект Доплера). Чтобы нивелировать эти факторы, была разработана сложная экспериментальная схема.

1. Криогенный пучок. Вместо исследования газа в закрытой ячейке, ученые создали пучок атомов водорода, охлажденный до температуры 4,8 Кельвина (около -268°C). Холодные атомы движутся медленнее, что позволяет лучше контролировать их взаимодействие со светом.

2. Доплеровски-свободная спектроскопия. Для возбуждения атома использовался лазер с длиной волны 410 нанометров. Луч лазера направлялся на атомы, отражался от зеркала и возвращался обратно по тому же пути. В такой конфигурации атом поглощает два фотона, летящих с противоположных направлений. Их импульсы компенсируют друг друга, и влияние скорости атома на поглощаемую частоту устраняется (доплеровский сдвиг первого порядка исчезает).

3. Учет эффекта отдачи и давления света. На достигнутом уровне точности (триллионные доли) физикам пришлось учитывать эффекты, которые ранее игнорировались. Один из них — сдвиг частоты из-за светового давления. Даже в конфигурации со встречными пучками фотоны передают атому механический импульс, изменяя его траекторию. Атомы начинают вести себя не как частицы, а как волны материи, дифрагирующие на стоячей световой волне лазера. Команда разработала детальную математическую модель этого процесса и внесла соответствующие поправки в результаты.

4. Подавление квантовой интерференции. Еще одним источником искажений является квантовая интерференция между различными путями возбуждения атома. Она может деформировать форму спектральной линии, смещая ее центр. Исследователи рассчитали угол поляризации лазера (56,5 градуса относительно детектора), при котором этот эффект сводится к минимуму.

Итоги: триумф точности и крах «новой физики»

Измеренная частота перехода 2S-6P позволила вычислить зарядовый радиус протона:

rp = 0,8406(15) фемтометра

Это значение обладает точностью, в 2,5 раза превышающей точность всех предыдущих экспериментов с обычным водородом. Самое главное — оно идеально совпадает с данными, полученными на мюонном водороде (0,84060(39) фм).

Что это означает для науки?

Во-первых, «Загадка радиуса протона» официально решена. Расхождение, мучившее физиков 15 лет, было вызвано систематическими погрешностями в старых экспериментах с обычным водородом, а не фундаментальными свойствами Вселенной. Протон действительно меньше, чем считалось ранее.

Во-вторых, гипотеза о «новой физике», нарушающей лептонную универсальность, отвергнута. Электрон и мюон видят протон одинаково, что подтверждает корректность Стандартной модели.

В-третьих, достигнута высокая точность проверки Квантовой электродинамики (КЭД). Эта теория описывает взаимодействие света и вещества. Зная теперь точный радиус протона, ученые смогли сравнить предсказания КЭД с результатами эксперимента. В итоге, расхождение составляет всего 0,7 части на триллион. Это самая строгая проверка КЭД для связанных квантовых систем в истории науки.

Будущее прецизионной физики

Теперь, когда этот параметр надежно зафиксирован, водородная спектроскопия превращается из инструмента измерения размера ядра в инструмент поиска аномалий.

Любое отклонение от предсказаний КЭД в будущих экспериментах с водородом или дейтерием теперь нельзя будет списать на неопределенность размера протона. Это значительно повышает чувствительность методов к поиску экзотических явлений, таких как темная материя или взаимодействия, выходящие за рамки Стандартной модели. Кроме того, новое измерение позволит уточнить постоянную Ридберга — одну из важнейших физических констант, связывающую микромир атомной физики с макромиром фундаментальных сил.

Источник:Nature