Физики приблизились к решению главной загадки протона

Поставлена точка в десятилетнем споре.

Физики из Германии провели рекордно точное измерение частоты двухфотонного 1S-3S перехода атома водорода, лежащего в ультрафиолетовой области, с помощью техники частотных гребенок. Результаты эксперимента позволили получить уточненные значения постоянной Ридберга и зарядового радиуса протона, что приблизило ученых к решению «загадки радиуса протона». Работа опубликована в Science, пишет rusjev.net.

«Загадкой радиуса протона» называется расхождение данных по измерению протонного размера, полученных различными экспериментальными группами. Она возникла в 2010 году, когда были опубликованы результаты по сверхточному измерению лэмбовского сдвига в мюонном водороде — экзотической частице, в котором электрон заменен мюоном. Мюон, согласно принципу лептонной универсальности, не должен отличаться от электрона ничем, кроме массы и времени жизни. Из-за того, что мюон в 207 раз тяжелее, он ближе находится к протону, следовательно, эксперименты с мюонными атомами позволяют точнее определить его размер.

Оказалось, что радиус протона, полученный при измерении 2S-2P перехода в мюонном водороде и примерно равный 0,84 фемтометра, отличается на 4σ от того же радиуса, полученного серией спектроскопических экспериментов на обычном водороде и экспериментами по электрон-протонному рассеянию, и примерно равного 0,88 фемтометра. Такое большое расхождение подстегнуло экспериментальные и теоретические исследования этой проблемы.

Примечательно, что в большинстве последующих экспериментов подтвердилось меньшее значение радиуса протона. Исключением стала работа, опубликованная парижской группой физиков в 2018 году: их результаты соответствовали большему значению радиуса. Это послужило мотивацией для группы из Института квантовой оптики общества Макса Планка при участии Алексая Гринина (Alexey Grinin) повторить это измерение с помощью лазера, который генерирует оптические частотные гребенки.

Для этого физики создавали облако атомов водорода путем диссоциации молекулярного водорода и доставляли его в область столкновения встречных лазерных пучков. При такой схеме атом поглощает по одному фотону из каждого пучка, и это позволяет избежать отдачи за счет импульса фотонов. Использование же в таком процессе частотных гребенок существенно увеличивает эффективность двухфотонного поглощения.

Оптической частотной гребенкой называется особый вид спектра лазера, который представляет собой набор узких пиков, отстоящих друг от друга на равные частотные интервалы и напоминающих таким образом зубчики расчески. Для создания такого спектра используется несколько различных техник, например, амплитудная либо фазовая модуляция света, испускаемого лазером с непрерывным спектром. Гребенчатая форма спектра позволяет многократно увеличивать точность оптических систем. За изобретение технологии оптических гребенок в 2005 году была вручена Нобелевская премия по физике.

В результате точность измерения частоты перехода 1S-3S достигла 13-го знака после запятой. Это позволило увеличить точность извлекаемых из этого значения констант. Чтобы сделать это, необходимо записать выражение, которое связывает рассматриваемую частоту с фундаментальными константами. Само выражение базируется на формулах, получаемых в квантовой механике и квантовой электродинамике. При этом самые важные с точки зрения точности константы лишь две из них: постоянная Ридберга и радиус протона. Таким образом, для их определения нужно знать как минимум две частоты перехода, а погрешности в вычислении частот преобразуются в погрешности определения констант. Поэтому исследователи стараются выбирать такие переходы, ширина спектральных линий которых, а, следовательно, и погрешность, минимальна.

Самая узкая спектральная линия в атоме водорода — это линия, соответствующая переходу 1S-2S: ее точность достигает 15-го знака после запятой. Поэтому в большинстве экспериментов по измерению радиуса протона выражение для частоты этого перехода используется в качестве одного из уравнений. В качестве второго перехода разные группы физиков использовали переходы между 2S состоянием и высоковозбужденными nS, nP, и nD-состояниями (которые называются ридберговскими; про одну из таких работ мы уже писали ранее) и 2P состоянием (лэмбовский сдвиг), а также 1S-3S переход.

До 2010 года результаты этих экспериментов свидетельствовали о большем значении радиуса протона. Однако в последние несколько лет все они были повторены с новым уровнем точности, включая опыты по рассеянию электронов, про которые мы уже писали, и во всех случаях кроме одного, размер протона получился меньшим. Большее значение получилось лишь у парижской группой физиков, которые измеряли частоту перехода 1S-3S атома водорода с помощью лазера с непрерывным спектром.

В новой работе исследователи получили такое значение радиуса протона, которое оказалось гораздо ближе к значению, полученному в мюонном эксперименте, и почти на 3σ отличалось от значения, полученного парижской группой. Таким образом, физики, кажется, поставили точку в споре о том, какое же из значений наиболее близко к истинному. Однако, еще непонятно, почему измерение одной и той же частоты у одного и того же атома с помощью разных техник дает разный ответ. Результаты работы группы наводят на мысль, что окончательное решение загадки протона стоит все же искать в аппаратной или систематической части эксперимента (или нескольких экспериментов), а не в теории.

На важность проделанной работы обратил внимание профессор Вим Убахс из Астердамского свободного университета, который в том же номере журнала Science опубликовал короткую заметку под названием «Кризис и катарсис в атомной физике». Он отметил, что прошедшие года в поисках согласованности в атомной физике, которыми ознаменовалась загадка радиуса протона, станут интересной темой исследования для историков и социологов науки.