Физики из Университета штата Колорадо измерили радиус протона водорода с беспрецедентной точностью, что помогло устранить десятилетнее расхождение в данных, которое вызывало вопросы об одной из самых фундаментальных частиц в природе.

Команда исследователей определила, что радиус протона составляет около 0,84 фемтометра, или менее одной квадриллионной метра. Этот результат отличается от ранее принятого значения в 0,876 фемтометра и согласуется с более поздними измерениями, которые показали, что протон немного меньше, чем считалось ранее.

Это открытие помогает разрешить так называемую «протонную загадку» — давний спор, возникший из-за того, что разные экспериментальные методы давали противоречивые результаты в отношении размера протона.

В течение многих лет физики получали одно и то же значение при измерении атомов водорода с помощью электронов. Но эксперименты с использованием мюонов, более тяжёлых частиц, неизменно указывали на меньший радиус протона. Это несоответствие натолкнуло учёных на мысль, что на результаты могли повлиять неизвестные физические явления.

Точность положит конец спорам

Новое исследование говорит об обратном.

По мнению исследователей, полученный результат согласуется с предсказаниями Стандартной модели — теории, описывающей взаимодействие фундаментальных частиц. Исследование также снижает вероятность того, что причиной расхождения является ранее неизвестная сила или частица.

«Наше исследование показало, что размер протона точно соответствует теоретическим данным с точностью до триллионной доли, что исключает возможность того, что причиной расхождения в данном случае является новая сила или частица», — сказал Дилан Йост, доцент кафедры физики Университета штата Колорадо.

«Это существенно изменило бы Стандартную модель, и именно этого добиваются исследователи», — добавил он.

Чтобы провести измерения, исследователи создали пучок атомарного водорода в вакуумной камере и с помощью ультрафиолетовых лазеров возбуждали электроны, переводя их с одного энергетического уровня на другой. Поскольку размер протона незначительно влияет на поведение электронов вокруг ядра, команда смогла определить радиус протона, точно измерив эти энергетические переходы.

Эксперимент также стал проверкой квантовой электродинамики — теории, описывающей взаимодействие света и материи.

Новый лазерный метод

Одной из самых сложных задач было получение точных данных о быстро движущихся атомах водорода, которые взаимодействуют с лазерным излучением лишь в течение короткого промежутка времени.

Чтобы преодолеть это ограничение, команда разработала новую технологию, в которой одновременно используются два лазерных поля.

«Эти атомы движутся очень быстро и недолго взаимодействуют с лазером, что может привести к искажению искомых сигналов», — говорит Райан Буллис, аспирант и ведущий автор исследования.

«Мы разработали новую технологию, которая позволяет одновременно использовать два лазерных поля для повышения точности наших измерений».

Результат был независимо подтвержден группой ученых из Института Макса Планка, использовавшей другой подход к измерениям, что еще больше укрепило уверенность в правильности пересмотренного значения размера протона.

По словам исследователей, лазерные технологии, разработанные в ходе проекта, теперь будут применяться для изучения более сложных форм водорода, в том числе дейтерия, а также других аспектов атомной физики.

По словам Йоста, эта работа показывает, как прецизионные настольные эксперименты могут дополнять крупные установки, такие как ускорители элементарных частиц, в поисках новых физических явлений и более тщательной проверке существующих теорий.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.