Физики уточнили размер протона

Наконец-то мы знаем точный размер протона. Прошло более 15 лет с момента эксперимента, вызвавшего недоумение в научном сообществе, и теперь его результаты получили убедительное подтверждение.

Протон — основа нашего материального существования, основной строительный блок Вселенной. До некоторого времени его свойства, в том числе радиус, считались хорошо изученными.

В 2010 году был проведен эксперимент с экзотическим атомом водорода, в котором электрон был заменен мюоном. Его результаты показали, что протон может быть примерно на 4% меньше, чем ожидалось. Физики бросились искать источники ошибок измерений и выдвигать теории, объясняющие отклонения. Однако новое исследование 2019 года дало примерно такие же результаты.

Теперь вопрос можно считать закрытым. Два независимых — и, что немаловажно, основанных на разных подходах — эксперимента убедительно подтвердили меньший размер. Они показали, что радиус протона составляет чуть более 0,84 фемтометра — то есть менее одной миллионной миллиардной метра.

В обоих экспериментах был измерен размер протона по косвенным данным в обычном атоме водорода. Он состоит только из протона и электрона, связанных друг с другом электромагнитной силой. А он, в свою очередь, зависит от размера протона – а это значит, что правильный (хотя и сложный) способ это выяснить – измерить переход электрона с одного энергетического уровня на другой.

Обе группы использовали лазеры для манипулирования электронами в атомах. Одна команда измерила два перехода между S- и P-орбиталями, другая — между уровнями S и S, что гораздо сложнее. На основе полученных данных был рассчитан радиус протона — и результаты совпали не только между собой, но и с тем знаменательным экспериментом 2010 года.

«Тайна радиуса протона наконец раскрыта», — говорит физик Лотар Мейзенбахер из Калифорнийского университета в Беркли, принимавший участие во втором эксперименте, который проводился в Институте квантовой оптики Макса Планка (MPQ).

Это впечатляющее достижение, поскольку такие измерения — нетривиальная задача. Атомы водорода должны быть помещены в идеальный вакуум; Лазеры зачастую дороги, и их калибровку необходимо проводить с особой тщательностью. Хотя сбор данных может занять три-четыре недели, на их обработку с целью выявления и исправления возможных ошибок могут уйти годы. Кроме того, такие эксперименты, как правило, очень специфичны в том, как они манипулируют водородом, поэтому выяснить точную причину расхождений в результатах обычно очень сложно, объясняет Мейзенбахер.

Различные подходы ценны, поскольку эффект, вызванный конкретной неисправностью инструмента, не проявляется в разных экспериментах, говорит профессор Хуан Рохо из Свободного университета Амстердама.

"Радиус протона должен быть универсальным свойством — он должен давать один и тот же результат, независимо от того, как мы его измеряем. Вот почему 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 открыть, изучая поведение электрона в водороде, сказал Дилан Йост из Университета штата Колорадо, участник одного из экспериментов. Фактически, эксперимент MPQ уже достаточно точен, чтобы проверить предсказания нашей лучшей на сегодняшний день математической модели — квантовой электродинамики — с точностью до 0,5 на миллион. Команда не обнаружила никаких расхождений — ничего, что указывало бы на появление новых сил или частиц.

Гигантские коллайдеры могут искать новые тяжелые частицы, а настольные эксперименты с атомами водорода и лазерами могут идентифицировать очень легкие частицы, которые в противном случае остались бы незамеченными, сказал Йост.

«Поскольку мы теперь уверены, что нам действительно все ясно, мы можем перейти к следующему вопросу: какие рамки мы можем наметить для новой физики?» - резюмировал он.