Точные измерения спектра водорода позволили определить истинный радиус 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