Разгадка протонного парадокса: новое измерение подтверждает, что протон меньше, чем считалось ранее

Международная группа исследователей под руководством ученых из Национального института стандартов и технологий (NIST) обнаружила более точное значение зарядового радиуса протона, которое согласуется с меньшим размером, полученным ранее в экспериментах с мюонным водородом. Результаты исследования, разрешающие так называемый «протонный радиусный парадокс», опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Водород в своей простейшей форме, состоящей из одного протона и одного электрона, служит идеальной моделью для изучения атомной структуры. Однако несмотря на эту простоту, физики долгое время не могли точно определить зарядный радиус протона — меру пространственного распределения электрического заряда внутри него.

Проблема, известная как «протонный радиусный парадокс», возникла в 2010 году, когда эксперименты с мюонным водородом (где электрон заменен на мюон) дали меньшее значение радиуса по сравнению с измерениями на обычном водороде. В новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, команда ученых использовала усовершенствованную лазерную спектроскопию на криогенном пучке атомарного водорода.

Они возбудили атомы до более высоких энергетических состояний и измерили частоты переходов, которые ранее не изучались. Для калибровки частот применялись цезиевые эталоны времени в NIST. Ученым удалось минимизировать систематические ошибки, включая сдвиги Штарка, Доплера и эффекты теплового излучения.

В результате они получили значение протонного зарядового радиуса, равное 0,8433 фемтометра, а также значение частоты Ридберга 3 289 841 960 252,9 кГц. Эти результаты хорошо согласуются с последними установленными значениями CODATA и, что особенно важно, подтверждают меньший радиус, полученный в экспериментах с мюонным водородом, включая первое измерение 2010 года.

Разница с исходным значением составляет около 4%. В статье авторы отмечают: «Наши результаты особенно важны для теорий за пределами стандартной модели, которые вводят легкие бозоны. Эти бозоны модифицируют кулоновский потенциал, что приводит к вариациям постоянной Ридберга».

Уточненные значения зарядового радиуса протона и постоянной Ридберга позволяют значительно усовершенствовать понимание атомной структуры и фундаментальных констант. Хотя небольшая неопределенность сохраняется из-за расхождений с некоторыми предыдущими измерениями, полученные результаты значительно повышают уверенность в меньшем размере протона и могут быть использованы для проверки теорий новой физики, а также распространены на дейтерий для поиска новых частиц.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях