Размер протона определен с беспрецедентной точностью

МОСКВА, 27 ноя — РИА Новости. Немецкие физики с помощью новейшей технологии спектроскопии частотной гребенки экспериментально определили размер ядра атома водорода с точностью до 13 знаков после запятой. Это в два раза точнее, чем все предыдущие измерения. Важность открытия заключается в том, что оно снимает противоречия между разницей в измерениях в мюонном и обычном водороде. Результаты опубликованы в журнале Science.

Физика — точная наука. Все вычисления в ней построены на значениях базовых величин, одна из которых — размер протона — элементарной частицы, образующей ядро водорода, самого простого и самого распространенного элемента во Вселенной.

Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Электрон в атоме водорода, как говорят физики, "чувствует" размер протона, что отражается в минимальных сдвигах уровней его энергии.

В течение многих десятилетий бесчисленные измерения водорода давали постоянный радиус протона. Но спектроскопические исследования так называемого мюонного водорода, в котором электрон был заменен его в 200 раз более тяжелым двойником — мюоном, дали значение радиуса протона на четыре процента меньше, чем у обычного водорода. Это противоречит теории квантовой электродинамики, в соответствии с которой радиусы протона в мюонном и обычном водороде должны быть одинаковыми.

Ученым из Института квантовой оптики Макса Планка удалось решить загадку радиуса протона, измерив его с помощью отмеченного в 2018 году Нобелевской премией метода генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов, который еще называют техникой частотной гребенки.

Исследователи впервые применили его модификацию — бездоплеровскую двухфотонную частотную гребенчатую спектроскопию высокого разрешения — для возбуждения атомов водорода. Полученное ими значение оказалось вдвое точнее всех предыдущих: 0,8482 фемтометров, или 10^-15 метров. Оно ближе к меньшему радиусу, полученному при оценке энергетического перехода в мюонном водороде.

© Alexey Grinin et al., 2020

Радиусы протона, полученные в предыдущих (черным) и данном (зеленым) исследованиях. Радиус мюонного водорода отмечен розовой полосой

Хотя этот экзотический атом может существовать очень короткое время — две миллионные доли секунды, — он более "чувствителен" к радиусу протона и имеет наименьшие ошибки измерения.

Авторы отмечают, что оценка справедливости квантовой электродинамики возможны только при сравнении нескольких независимых измерений. Если теория и ее применение верны и все эксперименты проводятся правильно, значения радиуса протона должны согласовываться друг с другом в пределах экспериментальной неопределенности.

Загадка радиуса протона — существенное расхождение между данными, полученными с мюонным водородом и обычным атомарным водородом, ставило под сомнение саму теорию квантовой электродинамики. Теперь понятно, что дело не в теории — проблема носила скорее экспериментальный, чем фундаментальный характер.

Успех метода спектроскопии частотной гребенки в данном эксперименте, по мнению авторов, открывает путь для новых исследований. До сих пор прецизионная спектроскопия водорода и других атомов и молекул выполнялась исключительно с помощью лазеров непрерывного действия. Используя лазеры сверхкоротких импульсов, можно проникать в гораздо более короткие длины волн вплоть до крайнего ультрафиолетового диапазона, что позволит существенно повысить точность измерений.