Завдяки вимірюванням частоти переходу 2S₁/₂ — 8D₅/₂ у комбінації з останніми даними про перехід 1S-2S фізикам вдалося отримати нове значення радіуса протона — 0,8584(51) фемтометра. Це ближче до існуючих експериментальних даних, де цей параметр оцінюють у 0,84 фемтометра, та відрізняється від рекомендованого Комітетом з даних для науки та технологій значенням радіуса у 0,88 фемтометра. Результати експериментів вчені опублікували у журналі Physical Review Letters.
Hankwang / Wikimedia Commons
Що таке «загадка радіуса протона»?
Прості атоми, які складаються з двох зв'язаних частинок, зіграли ключову роль у розвитку сучасної фізики: вони мають прості для дослідження спектри зі зрозумілими властивостями, а тому теоретики можуть використовувати їх для розрахунків, а експериментатори своєю чергою перевіряти їх на точність.
Атом водню складається всього з одного протона і одного електрона, а його спектроскопічні дослідження посприяли розвитку квантової фізики та формулюванню квантової електродинаміки, яку часто називають чи не найкращою теорією, що має найвищу точність передбачень. Але він же, атом водню, став причиною сумнівів у ній, коли приніс проблему, розв'язок якої затягнувся більш як на десять років — «загадку радіуса протона».
Вона виникла як наслідок підвищення точності експериментів: поки комітет з даних для науки та технологій (CODATA) за даними експериментів з розсіювання електронів та спектроскопії звичайного водню оцінив цю величину у 0,877 фемтометра (що зійшлося з теорією), фізики з колаборації CREMA експериментували мюонним воднем і отримали результат за рамками похибки — 0,84184 ± 0,00067 фемтометра (що теорія пояснити не може). Після них було проведено ще не один експеримент, які тільки з вищою точністю підтверджували, що або помилка у теоретичних розрахунках, або у якомусь з експериментів.
Як її розв'язувати?
Протон (ядро) не є точковою частинкою, тому вимірювати його радіус (а точніше навіть говорити зарядовий радіус — скільки місця «займає» заряд протона) зручніше через взаємодію з електронами, або, як у випадку з мюонним воднем, з мюонами. Тобто зарядовий радіус покаже, скільки часу частинки взаємодіятимуть з протоном, а фізики побачать це за зсувом рівня енергії — виміряють різницю між двома енергетичними рівнями, з якою за теоретичною формулою можна «витягнути» цей параметр.
Рекомендоване CODATA значення випливає з вимірювань різних переходів в атомі водню, зокрема перехід 2S−8S/D. Вклад у різницю енергій у ньому здійснюють випромінені під час переходу два фотона і власне потрібний нам радіус самого протона. Та хоча повторне вимірювання будь-якого з переходів, на які спирається CODATA, принесе дані, що наблизять до розв'язку загадки радіуса протона, автори цієї роботи на чолі з Адамом Брандтом (Adam Brandt) з Університету Колорадо обрали перехід 2S₁/₂ — 8D₅/₂, у якому двофотонний перехід інтенсивніший.
Щоб виміряти частоту цього переходу, фізики експериментували з пучком холодних атомів водню, де на відстані півтора метра від сопла вони потрапляли під дію випромінювання з довжиною хвилі у 243 нанометри, щоб утворити метастабільні атоми. Затим, через 15 сантиметрів шляху, вони потрапляли вже під дію випромінювання лазерного променя з довжиною хвилі 778 нанометрів, який і «виводив» їх на потрібний 2S₁/₂ — 8D₅/₂ перехід. Отримана у результаті частота склала 770649561570.9(2,0) кілогерців, що втричі точніше за проведені раніше вимірювання. Відтак тепер у фізиків з'явилася можливість отримати і значення зарядового радіуса протона.
Схема експерименту. A. D. Brandt et al. / Physical Review Letters, 2022
Що показав новий експеримент?
Як ми вже вказали, значення радіуса протона з порівняння двох енергетичних рівнів можна вивести з теоретичної формули. Але враховуючи, що у цьому експерименті вчені порівнювали рівні з різними квантовими числами, щоб з їхніх переходів вирахувати радіус ядра, треба вирахувати сталу Рідберґа. Тому фізикам знадобилися дані про перехід 1S₁/₂-2S₁/₂. Вони обрали його з огляду на те, що його частота вже була виміряна з точністю 4,2x10^-15.
У комбінації з їхніми власними результатами, вченим вдалося отримати значення радіуса протона 0,8584(51) фемтометра. Це 3,1 комбінованого стандартного відхилення від рекомендованого CODATA значення, а сам експеримент зайняв місце майже посередині між результатами попередніх робіт з мюонним і звичайним воднем, які оцінють радіус в 0,84 фемтометра.
Добірка останніх визначень радіусу протона методом лазерної спектроскопії з переходом 1S₁/₂-2S₁/₂. Червоним обведено отриманий авторами цієї роботи результат. A. D. Brandt et al. / Physical Review Letters, 2022