Радиус протона измерили по уточненной частоте 2S−8D перехода

12:41 24 января Киев, Украина

Благодаря измерениям частоты перехода 2S₁/₂ — 8D₅/₂ в комбинации с последними данными о переходе 1S-2S физикам удалось получить новое значение радиуса протона — 0,8584(51) фемтометра. Это ближе к существующим экспериментальным данным, где этот параметр оценивается в 0,84 фемтометра и отличается от рекомендованного Комитетом по данным для науки и технологий значением радиуса в 0,88 фемтометра. Результаты экспериментов учёные опубликовали в журнале Physical Review Letters.

Что такое «загадка радиуса протона»?

Простые атомы, состоящие из двух связанных частиц, сыграли ключевую роль в развитии современной физики: они имеют простые для исследования спектры с понятными свойствами, поэтому теоретики могут использовать их для расчетов, а экспериментаторы в свою очередь проверять их на точность.

Атом водорода состоит всего из одного протона и одного электрона, а его спектроскопические исследования способствовали развитию квантовой физики и формулировке квантовой электродинамики, которую часто называют едва ли не самой лучшей теорией, имеющей наивысшую точность предсказаний. Но он же, атом водорода, стал причиной сомнений в ней, когда принесло проблему, решение которой затянулось более чем на десять лет — «загадку радиуса протона».

Она возникла как следствие повышения точности экспериментов: пока комитет по данным для науки и технологий (CODATA) по данным экспериментов по рассеянию электронов и спектроскопии обычного водорода оценил эту величину в 0,877 фемтометра (сошлось с теорией), физики по коллаборации CREMA экспериментировали мюонным водородом и получили результат за рамками погрешности – 0,84184±0,00067 фемтометра (что теория объяснить не может). После них был проведен еще один эксперимент, которые только с высшей точностью подтверждали, что либо ошибка в теоретических расчетах, либо в каком-либо из экспериментов.

Как ее решать?

Протон (ядро) не является точечной частицей, поэтому измерять его радиус (а точнее даже говорить зарядовый радиус – сколько места «занимает» заряд протона) удобнее через взаимодействие с электронами, или, как в случае с мюонным водородом, с мюонами. То есть, зарядовый радиус покажет, сколько времени частицы будут взаимодействовать с протоном, а физики увидят это по смещению уровня энергии — измерят разницу между двумя энергетическими уровнями, с которой по теоретической формуле можно «вытянуть» этот параметр.

Рекомендуемое CODATA значение вытекает из измерений различных переходов в атоме водорода, включая переход 2S−8S/D. Вклад в разницу энергий в нем осуществляют излученные при переходе два фотона и фактически нужен нам радиус самого протона. И хотя повторное измерение любого из переходов, на которые опирается CODATA, принесет данные, приближающие к решению загадки радиуса протона, авторы этой работы во главе с Адамом Брандтом (Adam Brandt) из Университета Колорадо выбрали переход 2S₁/₂ — 8D /₂, при котором двухфотонный переход более интенсивный.

Чтобы измерить частоту этого перехода, физики экспериментировали с пучком холодных атомов водорода, где в полутора метрах от сопла они попадали под действие излучения с длиной волны в 243 нанометра, чтобы образовать метастабильные атомы . Затем, через 15 сантиметров пути, они уже попадали под действие излучения лазерного луча с длиной волны 778 нанометров, который и «выводил» их на нужный 2S₁/₂ — 8D₅/₂ переход. Полученная в результате частота составила 770649561570.9(2,0) килогерцев, что втрое точнее проведенных ранее измерений. Теперь у физиков появилась возможность получить и значение зарядового радиуса протона.
 
Фото: Схема опыта. AD Brandt и другие. / Physical Review Letters, 2022
 
Что показал новый опыт?

Как уже отмечалось, значение радиуса протона из сравнения двух энергетических уровней можно вывести из теоретической формулы. Но учитывая, что в этом эксперименте ученые сравнивали уровни с разными квантовыми числами , чтобы с их переходов вычислить радиус ядра, нужно вычислить постоянную Ридберг. Поэтому физикам понадобились данные о переходе 1S₁/₂-2S₁/₂. Они выбрали его, учитывая, что его частота уже была измерена с точностью 4,2x10^-15.

В сочетании с их собственными результатами ученым удалось получить значение радиуса протона 0,8584(51) фемтометра. Это 3,1 комбинированного стандартного отклонения от рекомендуемого CODATA значения, а сам эксперимент занял место почти посредине между результатами предыдущих работ с мюонным и обычным водородом, которые оценивают радиус в 0,84 фемтометра.
 
Фото: Подборка последних определений радиуса протона методом лазерной спектроскопии с переходом 1S₁/₂-2S₁/₂. Красным обведен полученный авторами этой работы результат. AD Brandt и другие. / Physical Review Letters, 2022