Фізика
Фізика

Фізики зменшили радіус протона

Paul Scherrer Institute

Paul Scherrer Institute

Новий експеримент з виміру радіуса протона за допомогою водневої спектроскопії показав, що розмір частинки складає близько 0,84 фемтометра. Результат цього дослідження збігається з вимірами на основі мюонного водню, які 10 років тому викликали ажіотаж серед вчених та народили “загадку радіуса протона”. Це єдиний експеримент, дані якого збіглися з найпершим, однак це поки не вирішує протонну проблему й фізики планують продовжити дослідження, повідомляється у статті, опублікованій у журналі Science.

Що за “загадка радіуса протона”?

Зарядовий радіус протона можна визначити по тому, як ця елементарна частинка взаємодіє з негативними зарядами. Наприклад, для цього використовують експерименти з розсіювання електронів на протоні — чим більше радіус протона, тим більше електронів з пучка буде відхилятися від свого шляху, — а також аналіз електронних переходів в атомі водню. За даними сучасних вимірів Комітету з даних для науки та технологій, радіус становить 0,877 фемтометра — приблизно в мільйон мільярдів разів менше метра.

Однак за чотири роки до цього група вчених отримала зовсім інше значення, використовуючи спектроскопію мюонного водню — атома водню з мюонів замість електрона. Цей результат був більш точним, ніж попередні, і знаходився далеко за межами похибки - 0,84184 ± 0,00067 фемтометра. Така велика різниця викликала припущення про те, що електрони й мюони, можливо, можуть по-різному взаємодіяти з протонами, однак з того часу більшість експериментів демонстрували нижчі числа й у звичайному водні. Так і народилася “загадка радіуса протона” або велике протистояння фізиків теоретиків та експериментаторів. Ще більше ситуацію ускладнили дослідники з Університету Сорбонни і Паризької обсерваторії — у 2018 році вони повідомили, що виміряли перехід 1S-3S і отримали значення, відповідне офіційному. Проте цього разу дослідження того самого переходу показало інші результати. Вчені зазначають, що вимір 1S-3S, як і вимірювання інших переходів з основного стану водню, ускладнюється необхідністю використання ультрафіолетового випромінювання.

Як міряли цього разу?

Фізики використовували для свого експерименту пристрій, відомий як частотна гребінка. Це особливий тип випромінювання, який складається з досить великого числа окремих спектральних ліній, які відстають один від одного на рівну фіксовану частоту (тому спектр такого випромінювання і нагадує гребінку) й дозволяють відрізняти частоти один від одного. Вона забезпечує точність вимірювань, необхідних в атомних годинниках та інших високоточних пристроях. Така ширина спектра призводить до дуже вузьких тимчасових імпульсів, що збільшує інтенсивність ультрафіолету і зменшує похибку в порівнянні з лазерами безперервної дії. Взявши нове виміряне значення частоти 1S-3S, вчені об'єднали його з попередніми результатами вимірів для переходу 1S-2S. В результаті радіус протона складає 0,8482 ± 0,0038 фемтометра. Це менше за значення від комісії CODATA, яка відстежує результати вимірювань фундаментальних констант - їх зарядовий радіус протона складає 0,8751 (61) фемтометра, але більше за останні дані з американської лабораторії імені Джефферсона - за їхніми дослідженнями, розмір частинки може бути приблизно на п'ять відсотків менше загальноприйнятого значення - близько 0,83 фемтометра.

Чому це не остаточний результат?

У цьому експерименті вчені знизили статистичну невизначеність до трохи вище мінімального рівня, встановленого принципом невизначеності Гейзенберга і також зменшили кілька систематичних ефектів, включаючи шум, викликаний ефектом Доплера. Для цього вони використовували рідкий гелій для охолодження атомів водню до декількох градусів вище абсолютного нуля. Підсумовуючи всі можливі джерела помилок, вони досягли точності майже в чотири рази краще, ніж у паризької групи. Однак дані переходів1S-3S все ще потребують уточнення, хоч і невелике значення радіусу протона, за словами фізиків, є більш надійним з двох. Можуть бути невраховані систематичні ефекти, які могли змінити результат, отриманий під час експерименту, тому вчені планують дослідити той же перехід 1S-3S в іншому атомі — дейтерії, який містить нейтрон, а також протон у своєму ядрі. Дейтерій також довгий час досліджувався різними методами, і, як і у випадку мюонного водню, і нові результати по вимірюванню зарядового розміру дейтерію за допомогою методів оптичної спектроскопії також показували розбіжність зі старими.

принципом невизначеності Гейзенберга
неможливо одночасно з точністю визначити координати і швидкість квантової частинки
ефектом Доплера
явище зміни частоти хвилі, яку реєструє приймач, викликане переміщенням джерела або приймача