Прецизионная спектроскопия водорода разрешила давнюю загадку радиуса протона18.04.2026 15:30

Международная группа физиков из Института квантовой оптики общества Макса Планка провела уникальный эксперимент, который разрешил многолетний научный спор о радиусе протона. Загадка заключалась в расхождении между значениями радиуса, полученными из спектроскопии обычного водорода и мюонного водорода. Новое измерение подтвердило меньший радиус, предложенный мюонными данными, и исключило старое значение CODATA 2014 с достоверностью 5,5σ.

Мюонный водород — экзотическая форма атома, в которой обычный электрон заменён мюоном — частицей с таким же зарядом, но в 200 раз более тяжёлой, из-за чего она вращается по орбите гораздо ближе к протону. Благодаря этой близости мюонный водород в 4 порядка чувствительнее к физическому размеру ядра, что позволяло определять радиус протона с экстремальной точностью. Ранее измерения на мюонном и обычном водороде показывали разные результаты, так как точности старых методов спектроскопии обычного водорода было недостаточно для обнаружения тонких систематических искажений.

Главной причиной сомнений в старом значении радиуса протона стало фундаментальное расхождение между результатами различных методов измерения, которое получило название «загадка радиуса протона» (proton radius puzzle). Ключевыми факторами стали:

• Появление мюонного водорода. В 2010 году были проведены измерения спектроскопии экзотического «мюонного водорода». Этот метод оказался значительно чувствительнее к размеру ядра.
• Значительное расхождение. Значение радиуса, полученное на мюонном водороде, оказалось существенно меньше, чем общепринятое на тот момент значение (CODATA 2014), основанное на спектроскопии обычного водорода и рассеянии электронов. Статистическое расхождение составило более 5,6 стандартных отклонений (σ), что в физике считается признаком серьёзной проблемы и отклонения измерения или гипотезы.
• Противоречия внутри измерений обычного водорода. Последующие попытки измерить радиус в обычном атоме водорода также давали частично противоречащие друг другу результаты, которые не могли ни подтвердить старое значение, ни окончательно согласиться с новым.
• Вызов фундаментальной теории. Такое расхождение поставило под вопрос точность квантовой электродинамики (КЭД) и Стандартной модели в целом. Учёные предположили, что в теории могут отсутствовать или быть неполными важные слагаемые, описывающие взаимодействие частиц.

В конечном итоге, именно невозможность объяснить, почему один и тот же параметр (радиус протона) принимает разные значения в зависимости от метода измерения, заставила физиков пересмотреть старые стандарты и провести новые, сверхточные эксперименты, такие как измерение перехода 2S–6P (высокоточный физический параметр, соответствующий энергии, необходимой для возбуждения электрона из метастабильного состояния 2S (главное квантовое число n=2) в состояние 6P (n=6)). Именно точное измерение частоты 2S–6P позволило вычислить радиус заряда протона с точностью, в 2,5 раза превышающей предыдущие методы.

Новый эксперимент был основан на измерении частоты перехода 2S–6P в атомарном водороде. Для этого использовался криогенный пучок атомов водорода при температуре 4,8 К, что минимизировало доплеровские эффекты. Атомы возбуждались лазером на длине волны 243 нм, а последующая спектроскопия проводилась на длине волны 410 нм. Для устранения систематических сдвигов применялись активный волоконный ретрорефлектор (AFR), обеспечивающий высокую степень параллельности встречных лучей, и метод селекции атомов по скоростям, который позволил экстраполировать данные к нулевой скорости.

Особое внимание было уделено устранению влияния сдвига светового давления (LFS) и квантовой интерференции (QI). LFS возникает из-за дифракции атомов на стоячей световой волне, что приводит к асимметрии спектральной линии. Для его учёта использовалось квантово-механическое моделирование с функциями Вигнера. QI, вызванная интерференцией путей возбуждения и распада, была минимизирована с помощью «магического угла» поляризации лазера (56,5°) и большого телесного угла сбора фотонов. Эти меры позволили достичь точности измерений на уровне 0,7 триллионных долей (ppt).

Полученное значение радиуса протона составило 0,8406(15) фм. Новое измерение подтвердило расхождения и исключило старое значение измерение на мюонных данных CODATA 2014 с достоверностью 5,5σ.

Точность эксперимента позволила проверить поправки КЭД для связанных состояний с точностью 0,5 миллионных долей (ppm). Это является самым строгим тестом на сегодняшний день. Кроме того, достигнутые результаты накладывают ограничения на существование гипотетических частиц за пределами Стандартной модели.

Работа также открывает перспективы для дальнейших исследований. Новые измерения переходов, таких как 2S–8D (высокоточный переход в атоме водорода из метастабильного состояния 2S в возбужденное состояние 8D, измерение частоты которого, наряду с переходом 2S–6P, используется для определения радиуса протона и проверки предсказаний квантовой электродинамики) или 2S–4P (спектроскопический переход в атоме водорода, прецизионное измерение частоты которого стало более ранней попыткой авторов разрешить загадку радиуса протона и подтвердило «меньший» мюонный результат, хотя и обладало в 6 раз меньшей точностью по сравнению с текущей работой над переходом 2S–6P), могут обеспечить ещё более глубокое понимание фундаментальных взаимодействий. Методология, разработанная в этом эксперименте, станет основой для будущих исследований.

Таким образом, прецизионная спектроскопия водорода разрешила загадку радиуса протона, с точностью, которой достаточно, чтобы «отсеять» ошибочные значения и подтвердить, что протон действительно «маленький», как и предсказывал мюонный водород. Авторы отмечают, что нахождение центра частоты перехода с точностью в одну часть на 15 000 от экспериментальной ширины линии является ключевым достижением данной работы относительно ширины линии является беспрецедентным для лазерной спектроскопии. Эта точность превратила спектроскопию водорода из простого метода измерения в мощный инструмент поиска «новой физики» за пределами Стандартной модели.

iXBT прочитано 1026 раз