Физики уточнили размер протона
Наконец-то мы точно знаем размер протона. Прошло больше 15 лет после эксперимента, внесшего сумятицу в научное сообщество, и теперь его результаты убедительно подтвердились.
Протон — основа нашего материального бытия, базовый строительный блок мироздания. До некоторых пор его свойства, включая радиус, считались хорошо изученными.
В 2010 году провели эксперимент с экзотическим атомом водорода, в котором электрон заменен мюоном. Его результаты показали, что протон может быть примерно на 4% меньше, чем предполагалось. Физики бросились искать источники погрешностей измерения и выдвигать теории, которые объяснили бы отклонение. Однако новое исследование в 2019 году дало примерно те же итоги.
Теперь вопрос можно считать закрытым. Два независимых — и, самое главное, основанных на разных подходах, — эксперимента убедительно подтвердили меньший размер. Они показали, что радиус протона чуть превышает 0,84 фемтометра — то есть менее одной миллионной миллиардной доли метра.
Оба эксперимента измеряли размер протона по косвенным признакам в обычном атоме водорода. Он состоит только из протона и электрона, связанных друг с другом электромагнитным взаимодействием. А оно, в свою очередь, зависит от размера протона — значит, верный (хоть и сложный) способ узнать его — измерение перехода электрона с одного энергетического уровня на другой.
Для управления электронами в атомах обе группы применяли лазеры. Одна команда измерила два перехода между S- и P-орбиталями, другая — между уровнями S и S, что намного сложнее. На основе полученных данных вычислили радиус протона — и результаты совпали не только друг с другом, но и с тем знаменательным экспериментом 2010 года.
«Загадка радиуса протона окончательно решена», — заявляет физик Лотар Майзенбахер из Калифорнийского университета в Беркли, участвовавший во втором эксперименте, который проводился в Институте квантовой оптики Макса Планка (MPQ).
Это впечатляющее достижение, ведь такие измерения — задача нетривиальная. Атомы водорода необходимо помещать в идеальный вакуум; лазеры часто дороги и должны быть откалиброваны с предельной тщательностью. Хотя на сбор данных может уйти три-четыре недели, на их обработку, чтобы выявить и устранить возможные ошибки, могут понадобиться годы. Кроме того, такие эксперименты, как правило, очень специфичны в том, как именно они манипулируют водородом, поэтому выяснить точную причину расхождений в результатах обычно очень сложно, объясняет Майзенбахер.
Разные подходы — вот что ценно, потому что эффект, вызванный какой-то конкретной инструментальной неполадкой, не проявился бы в разных экспериментах, говорит профессор Хуан Рохо из Амстердамского свободного университета.
«Радиус протона должен быть универсальным свойством — он должен давать одинаковый результат, независимо от того, как мы его измеряем. Именно поэтому эти две работы так хороши: они показывают одно и то же число с разных точек зрения», — отмечает он.
Уверенность в размере протона особенно важна для уточнения теорий о новых частицах, которые можно обнаружить, изучая поведение электрона в водороде, считает участник одного из экспериментов Дилан Йост из Университета штата Колорадо. Фактически эксперимент MPQ уже достаточно точен, чтобы проверить предсказания нашей лучшей на сегодня математической модели — квантовой электродинамики — с точностью до 0,5 на миллион. Команда не обнаружила никаких расхождений — ничего, что указывало бы на новые силы или частицы.
Гигантские коллайдеры могут искать тяжелые новые частицы, а настольные эксперименты с атомами водорода и лазерами способны выявить очень легкие частицы, которые иначе остались бы незамеченными, резюмирует Йост.
«Раз уж мы теперь уверены, что нам все по-настоящему ясно, можно переходить к следующему вопросу: а какие, собственно, рамки мы можем очертить для новой физики?» — подытожил он.
