Радиус протона оказался меньше: физики закрыли многолетний спор

Исследователи из Института квантовой оптики Макса Планка поставили точку в «загадке радиуса протона». С помощью сверхточного измерения перехода электронов в обычном водороде они подтвердили, что ядро атома меньше, чем считалось десятилетиями. Новое значение 0,8406 фемтометра совпало с данными экзотических мюонных атомов, исключив старые стандарты с достоверностью 5,5 сигма.

Десятилетиями физики не могли договориться о реальном размере простейшего атомного ядра. Проблема, получившая название «загадка радиуса протона», возникла после экспериментов с мюонным водородом — экзотическим атомом, где электрон заменен более тяжелым мюоном. Мюон обладает тем же зарядом, но он в 200 раз тяжелее своего собрата, из-за чего его орбита проходит гораздо ближе к ядру. Такая близость делает частицу в 10 тысяч раз более чувствительной к физическому объему протона. Полученные тогда данные резко разошлись с общепринятыми значениями CODATA 2014, основанными на классической спектроскопии и рассеянии электронов.

Разрыв в показаниях составил более пяти стандартных отклонений. В мире теоретической физики это критическая величина, которая ставит под сомнение точность квантовой электродинамики и всю Стандартную модель. Ученые предполагали, что в расчетах могут отсутствовать важные слагаемые, описывающие взаимодействие частиц, или что старые методы спектроскопии не учитывали тонкие систематические искажения. Предыдущие попытки измерить радиус в обычном атоме водорода давали противоречивые результаты, которые не позволяли окончательно принять ни одну из сторон.

Группа из Института Макса Планка применила метод прецизионной спектроскопии обычного водорода, чтобы поставить точку в этом споре. Ученые сфокусировались на переходе 2S–6P — процессе возбуждения электрона из метастабильного состояния в более высокое. Точность измерения частоты этого перехода в 2,5 раза превысила показатели всех предыдущих опытов, включая ранние исследования перехода 2S–4P. Итоговое значение радиуса заряда протона составило 0,8406 фемтометра. Это подтверждает «маленький» радиус и окончательно опровергает старые стандарты с достоверностью 5,5 сигма.

Сверхточные лазеры и криогенный пучок

Для достижения такой чистоты эксперимента исследователи создали установку с криогенным пучком атомов водорода, охлажденным до 4,8 К. Это позволило почти полностью нейтрализовать доплеровские эффекты, возникающие при движении частиц. Чтобы исключить влияние светового давления, которое вызывает асимметрию спектральной линии, физики использовали квантово-механическое моделирование с функциями Вигнера. Дополнительно применялся активный волоконный ретрорефлектор для обеспечения идеальной параллельности встречных лазерных лучей и метод селекции атомов по скоростям.

Особое внимание уделили квантовой интерференции путей возбуждения и распада. Ее минимизировали с помощью настройки поляризации лазера под «магическим углом» 56,5 градуса и использования широкого угла сбора фотонов. В итоге точность измерений достигла уровня в 0,7 триллионных долей. Успех эксперимента не только разрешил старую загадку, но и стал самым строгим тестом квантовой электродинамики для связанных состояний на сегодняшний день. Достигнутые результаты накладывают жесткие ограничения на существование гипотетических частиц за пределами Стандартной модели и открывают путь к изучению еще более сложных энергетических переходов, таких как 2S–8D.