Рекордная точность в спектроскопии водорода: переход 2S–6P ставит точку в споре о размерах протона
Международная научная группа из Института квантовой оптики общества Макса Планка успешно завершила эксперимент, который позволил окончательно разрешить многолетнюю научную дискуссию, известную как «загадка радиуса протона». Суть проблемы заключалась в устойчивом расхождении данных между классической спектроскопией водорода и измерениями мюонного водорода. Новейшие результаты полностью подтверждают «компактный» размер протона, предсказанный мюонными данными, и опровергают прежние значения CODATA 2014 с уровнем статистической значимости 5,5σ.
Мюонный водород — это экзотическая система, где электрон замещен мюоном, обладающим идентичным зарядом, но в 200 раз большей массой. Из-за своей тяжести мюон вращается значительно ближе к ядру, что делает систему крайне чувствительной к его физическим размерам. Долгое время результаты, полученные на обычном и мюонном водороде, противоречили друг другу, так как точность традиционной спектроскопии была недостаточной для исключения систематических погрешностей.
«Загадка радиуса протона» стала серьезным вызовом для современной физики по ряду причин:
- Чувствительность мюонных методов: С 2010 года спектроскопия экзотического водорода начала демонстрировать результаты, кардинально отличающиеся от общепринятых.
- Масштаб противоречий: Разрыв между «мюонным» радиусом и данными CODATA 2014 составлял более 5,6 стандартных отклонений, что указывает на фундаментальную ошибку в измерениях или теории.
- Неоднородность данных: Последующие попытки переизмерить радиус в обычном водороде давали разрозненные показатели, не позволявшие прийти к консенсусу.
- Кризис КЭД: Столь значительные расхождения ставили под сомнение точность квантовой электродинамики и состоятельность Стандартной модели.
Невозможность примирить эти данные подтолкнула исследователей к проведению сверхточного измерения перехода 2S–6P (энергетический интервал между метастабильным состоянием 2S и возбужденным 6P). Новая методика позволила определить радиус протона с точностью, превосходящей предыдущие показатели в 2,5 раза.
В ходе эксперимента использовался криогенный пучок атомов при температуре 4,8 К для подавления доплеровского уширения. Для минимизации систематических сдвигов авторы применили активный волоконный ретрорефлектор и прецизионную селекцию атомов по скоростям. Особое внимание уделили устранению влияния светового давления и квантовой интерференции: использование «магического угла» поляризации (56,5°) и квантово-механическое моделирование с функциями Вигнера позволили достичь беспрецедентной точности в 0,7 триллионных долей (ppt).
Итоговое значение радиуса протона составило 0,8406(15) фм. Эти данные не только ставят точку в «загадке радиуса», но и обеспечивают самую строгую на сегодняшний день проверку поправок КЭД для связанных состояний с точностью 0,5 миллионных долей (ppm), что накладывает жесткие рамки на потенциальную «новую физику».
В будущем наработки ученых будут использованы для изучения переходов 2S–8D и 2S–4P, что должно еще глубже раскрыть природу фундаментальных взаимодействий. Успех данной работы превратил прецизионную спектроскопию водорода в эффективный инструмент для поиска явлений, выходящих за границы Стандартной модели, а способность определять центр частоты с точностью 1/15 000 от ширины линии стала эталонным достижением в области лазерной спектроскопии.
Источник: iXBT
