Протон под микроскопом: физики измерили радиус протона с рекордной точностью
На протяжении почти столетия атом водорода служит для физиков своеобразным испытательным полигоном, на котором проверяется прочность фундаментальных теорий мироздания. Будучи простейшим атомом, состоящим всего из одного протона и одного электрона, он позволяет проводить теоретические расчеты и экспериментальные измерения с фантастической точностью. Каждое новое уточнение знаний о его свойствах либо подтверждает существующую картину мира, либо намекает на то, что за горизонтом известных явлений скрывается нечто принципиально новое.
Именно в эту область предельных точностей и отправилась группа немецких физиков под руководством Лотара Майзенбахера из Института квантовой оптики им. Макса Планка. Их работа, опубликованная в журнале Nature, не просто измерила размер протона,, она провела стресс-тест для Стандартной модели, оставив конкурентам этой теории еще меньше пространства для маневра.
Главным объектом исследования стал так называемый радиус заряда протона — величина, которая характеризует распределение электрического заряда внутри этой частицы. Несмотря на свою фундаментальность, этот параметр на протяжении последних лет был источником серьезных разногласий в научном сообществе.
Различные методы измерений, в том числе с использованием обычного водорода и его экзотического аналога — мюонного водорода, давали слегка отличающиеся результаты. Это несоответствие, известное как «загадка радиуса протона», заставляло ученых гадать: кроется ли причина в ошибках измерений или же это первый признак неполноты нашего понимания квантовой электродинамики (КЭД) — той части Стандартной модели, которая описывает поведение света и материи.
Команда Майзенбахера подошла к решению этой задачи с новой стороны, обратившись к переходу, который ранее никогда не изучался с такой высокой точностью. Вместо хорошо исследованных состояний они сосредоточились на перемещении электрона с возбужденного уровня 2S на еще более высокий уровень 6P. Выбор 2S состояния был неслучаен: оно обладает аномально долгим временем жизни, что делает его идеальной «стартовой площадкой» для прецизионных лазерных измерений.
Исследователи использовали мощные и стабильные лазеры, чтобы возбудить атомы водорода и заставить электроны совершить этот квантовый скачок. Измеряя частоту поглощенного фотона с невероятной скрупулезностью, они получили значение, которое оказалось равным 730 690 248 610,7948 килогерц. Это число примечательно тем, что оно всего на 0,0025 килогерц отличается от теоретического предсказания, сделанного на основе Стандартной модели — расхождение настолько мало, что его можно считать триумфальным подтверждением теории.
Исходя из этой частоты, физики вычислили радиус протона, который составил 0,840615 фемтометра. Главное достижение здесь даже не в самом числе, а в его точности: новый результат примерно в 2,5 раза превосходит по надежности все предыдущие измерения, полученные на переходах в атоме водорода. Это достижение позволило практически разрешить прежние противоречия, склонив чашу весов в пользу значения, которое согласуется с так называемым «меньшим» радиусом протона. Таким образом, команда не просто измерила атом, но и фактически закрыла один из потенциальных лазеек для критиков квантовой электродинамики.
Что такое фемтометр?
Фемтометр (фм) — это единица измерения длины в метрической системе. Чтобы понять, насколько это маленькая величина, полезно посмотреть на ее соотношение с метром и приставки, которые используются в системе СИ.
Приставка «фемто-» означает 10 в минус пятнадцатой степени. Следовательно, один фемтометр равен одной квадриллионной доле метра (0,000000000000001 метра).
В ядерной физике и физике элементарных частиц, где изучают строение атомного ядра, фемтометр является основной единицей измерения. Неслучайно у этой единицы есть и другое, неофициальное, но широко распространенное название — ферми (в честь знаменитого физика Энрико Ферми). Оба термина взаимозаменяемы: 1 фемтометр = 1 ферми.
Чтобы представить себе масштаб, о котором идет речь в статье:
- Размер протона (его радиус), который измерили ученые, составляет примерно 0,84 фемтометра. Это означает, что если бы мы увеличили протон до размеров вишневой косточки (около 1 сантиметра), то сам атом водорода (в котором этот протон находится) в том же масштабе был бы размером с футбольный стадион или даже больше.
- Диаметр самого атома водорода (расстояние от протона до электрона) составляет около 50 000 фемтометров, или 0,05 нанометра.
С практической точки зрения, этот эксперимент знаменует собой очередной этап в ужесточении требований к теориям, претендующим на роль «новой физики». Каждый раз, когда Стандартная модель выдерживает подобную проверку, пространство для альтернативных гипотез сжимается, а планка для их доказательства поднимается еще выше.
Теперь любая теория, пытающаяся выйти за рамки общепринятых представлений, должна будет объяснять не только общую картину мира, но и укладываться в эти новые, невероятно узкие рамки точных измерений. Это делает поиск неизведанного еще более сложным, но одновременно и еще более интригующим, ведь если за пределами Стандартной модели действительно скрываются новые законы природы, то проявлять себя они должны лишь в самых тонких и трудноуловимых эффектах.