Неразбериха с размером протона

Одно из самых громких открытий в физике в 2010 году было определение зарядового размера мюонного водорода методами лазерной спектроскопии. Полученный результат оказался значительно меньше, причем отклонение от предыдущего значения было зафиксировано со статистической значимостью в 4σ. А сейчас команда ученых из института Макса Планка сделала новое спектроскопическое измерение обычного водорода (публикация в Science от 6 октября 2017). Определенное ими значение константы Ридберга и протонного радиуса оказались в замечательном согласовании с результатами 2010 года по мюонному водороду, но расходятся на 3.3σ с предыдущими измерениями.

Водород является простейшим химическим элементом. Согласно модели Бора, он состоит из одного протона и вращающегося вокруг него электрона. Теория квантовой электродинамики может предсказать значения энергетических уровней этой системы с точностью до 12-го знака после запятой. Поэтому водород играет важную роль в понимании Природы на микро уровне. Его изучение позволяет определять фундаментальные константы, такие как постоянная Ридберга и зарядовый радиус протона, с большой точностью.

Атом мюонного водорода отличается от обычного тем, что в нем электрон заменен своим собратом — мюоном. Мюон во всем похож на электрон: имеет такой же заряд и спин, только масса его в 200 раз больше массы электрона. Из-за этого орбита мюона вокруг протона намного меньше орбиты электрона. И поэтому мюон "чувствует" размер протона с большей точностью. В мюонном водороде протонный радиус влияет на положение спектральных линий на 7 порядков сильнее, чем в обычном водороде.

Большое различие между результатами, полученными с обычным водородом и мюонным породило большие дискуссии среди физиков о природе этой разницы. На самом деле, не все измерения с обычным водородом подтверждают эту разницу. Но так как такие эксперименты обычно не дают большой точности, приходится усреднять по многим экспериментам. Таким образом, чтобы решить эту загадку, необходимо разработать новый эксперимент с обычным водородом, более чувствительный чем предыдущие, желательно использовав новый экспериментальный подход.

Чтобы определить постоянную Ридберга и зарядовый радиус протона из спектроскопии обычного водорода, необходимо измерять две различные частоты переходов. Самый острый резонанс в водороде — это переход 1S-2S. Его частота была измерена в 2011 году с точностью до 15 знака после запятой. Эта точность была достигнута благодаря использованию "частотной гребенки", за изобретение которой Теодор Хенш в 2005 году получил Нобелевскую премию. Другой переход — это 2S-4P, который объединяет метастабильное 2S состояние с короткоживущим состоянием 4P.

В эксперименте этот переход возбуждался лазером с длиной волны 486 нм, и затем регистрировалось испущенное свечение. Атомы водорода охлаждались до 5.8 К, что уменьшает доплеровский сдвиг за счет теплового движения атомов, который является самым серьезным источником ошибок в таком эксперименте. Другой источник погрешности — это так называемая квантовая интерференция. Если бы было возможно исследовать один изолированный переход, спектральная линия была бы симметричной. Однако в данном случае возбуждение происходит также до двух других, более высоких энергетических уровней, 4P1/2 и 4P3/2. Поэтому спектральная линия получается немного несимметричной, что делает определение ее положения очень трудным. Хотя это очень слабый эффект, на необходимом уровне точности он становится весьма заметным.

Чтобы определить влияние квантовой интерференции, ученые произвели численное моделирование, которое оказалось в хорошем согласии с экспериментальными результатами. Моделирование позволило вывести форму спектральной линии. Используя выведенную форму спектра на экспериментальных данных, удалось определить положение спектральной линии с большой точностью.

Таким образом частота перехода 2S-4P была определена с относительной погрешностью около 1/250, что делает это вторым по качеству измерением в спектроскопии после измерения перехода 1S-2S. Сопоставив оба результата, была выведена постоянная Ридберга: R∞ = 10973731.568076(96) m^-1 и радиус протона: rp = 0.8335(95) fm.

Как уже было сказано, полученные значения находятся в хорошем согласии с ранее полученными для мюонного водорода. В то же время они расходятся со старыми результатами для обычного водорода. Что ж, пожелаем удачи ученым из института Макса Планка. Ведь большинство больших физических открытий в прошлом было сделано из небольших отклонений в экспериментальных данных от теоретических предсказаний!