Фізики з Університету штату Колорадо виміряли радіус протона з рекордною точністю. Новий результат ставить крапку в десятилітній суперечці, що змушувала сумніватися в одній із фундаментальних сталих природи. Експеримент підтвердив, що протон менший, ніж вважали раніше, і жодної нової фізики для пояснення розбіжностей не потрібно.
У чому суть загадки
Протягом багатьох років науковці отримували різні значення розміру протона залежно від методу вимірювання. Класичні експерименти з електронами давали один результат, що складав приблизно 0,876 фемтометра. Однак досліди з мюонами, важчими родичами електронів, послідовно вказували на менший радіус.
Цей розрив породив так звану загадку радіуса протона і змусив частину фізиків припустити, що в процесі може проявлятися невідома сила або частинка за межами Стандартної моделі. Якби це підтвердилось, довелося б переписувати розділи сучасної фізики.
Новий метод вимірювання
Команда під керівництвом професора Ділана Йоста розробила техніку, що використовує одразу два лазерні поля. Це дало змогу значно підвищити точність. Дослідники створили пучок атомарного водню у вакуумній камері й за допомогою ультрафіолетових лазерів збуджували електрони, переводячи їх між різними енергетичними рівнями.
Оскільки розмір протона ледь помітно впливає на поведінку електронів навколо ядра, точне вимірювання цих енергетичних переходів дозволило вирахувати радіус. Результат склав близько 0,84 фемтометра, що менше за одну квадрильйонну частинку метра. Він збігається з пізнішими вимірюваннями, а не зі старим еталонним значенням.
Точність, що закриває питання
Отримане значення узгоджується з передбаченнями Стандартної моделі на рівні однієї трильйонної частинки. Імовірність того, що розбіжність спричинила нова сила або невідома частинка, практично виключена. «Наш тест показує точний збіг із теорією, усуваючи можливість нової фізики в цьому випадку», — зазначив Йост.
Складність полягала в тому, що швидкі атоми водню взаємодіють із лазером дуже короткий час. Через це сигнали втрачають чіткість і їх важко виміряти. Аспірант Раян Булліс, провідний автор дослідження, пояснив, що застосування двох лазерних полів одночасно дозволило оминути це обмеження. Результат незалежно підтвердила команда з Інституту Макса Планка, використавши інший підхід до вимірювання.
Розроблену лазерну техніку планують застосувати до складніших форм водню, зокрема дейтерію. Це допоможе дослідити інші аспекти атомної фізики. На думку Йоста, робота демонструє, як прецизійні настільні експерименти здатні доповнювати великі прискорювачі у пошуках відхилень від відомих теорій. Дослідження опублікували в журналі Physical Review Letters.
Джерело: interestingengineering.com
