Немецкие физики провели самое точное на сегодняшний день измерение ширины протона. Изучив ранее неисследованный энергетический переход в атоме водорода, ученые из Института квантовой оптики им. Макса Планка показали, что Стандартная модель продолжает выдерживать чрезвычайно строгую проверку, оставляя еще меньше места для конкурирующих теорий, противоречащих лучшему пониманию поведения Вселенной. Результаты исследования опубликованы в свободном доступе в журнале Nature.

Картинка с Phys.org"

На сегодняшний день квантовая электродинамика (КЭД) является наиболее успешной теорией, описывающей взаимодействие света и материи на фундаментальном уровне. Как центральный столп Стандартной модели, она составляет часть более широкой работы по описанию всей наблюдаемой материи с помощью элементарных частиц и фундаментальных сил, посредством которых они взаимодействуют. Для того чтобы любая теория оставалась жизнеспособной, её предсказания должны быть подтверждены реальными экспериментами. На протяжении десятилетий исследователи неоднократно проверяли предсказания КЭД — часто с поразительно похожими результатами. Но в то же время они искали даже мельчайшие отклонения, которые могли бы указывать на трещины в Стандартной модели и свидетельствовать о новой, необъяснимой физике. Одна из таких проверок включает измерение ширины протона, или «радиуса заряда». В последние годы различные экспериментальные методы давали несколько противоречащие друг другу значения этой величины.

В своем исследовании ученые поставили перед собой задачу определить радиус протона с беспрецедентной точностью. Для этого они рассмотрели внутреннюю связь между размером протона и точным положением энергетических уровней водорода. Электроны в атомах могут занимать только дискретные энергетические уровни. Они перескакивают между этими уровнями, поглощая или испуская фотоны на очень специфических частотах. Точные значения этих частот зависят от размера протона — хотя и крайне незначительно.

Для проведения эксперимента исследователи обратились к атому водорода, который состоит из одного протона и одного электрона. При предельной точности, необходимой для исследования КЭД, различия в экспериментальных методах и коррелированные неопределенности могут приводить к расхождениям между измерениями. Эти несоответствия затрудняют уточнение радиуса протона и дальнейшую проверку предсказаний КЭД.

Для решения задачи команда измерила энергетический переход, который ранее не исследовался: из возбужденного состояния 2S водорода в еще более возбужденное состояние 6P. Поскольку состояние 2S имеет необычно большую продолжительность жизни по сравнению с большинством возбужденных состояний, оно обеспечивает стабильную отправную точку для чрезвычайно точных измерений. Используя высокоточную лазерную спектроскопию, исследователи измерили частоту фотона перехода, получив значение 730 690 248 610,7948 килогерц: всего на 0,0025 килогерц отличается от значения, предсказанного Стандартной моделью. На основе этого они определили радиус заряда протона 0,840615 фемтометров — примерно в 2,5 раза точнее, чем любое предыдущее значение. Что особенно важно, результат согласуется с меньшим радиусом, обнаруженным в предыдущих экспериментах с водородом, что помогает разрешить давние противоречия.

В целом, этот эксперимент представляет собой одну из самых строгих на сегодняшний день проверок КЭД в связанных атомных системах. Поскольку Стандартная модель продолжает выдерживать такие все более строгие проверки, пространство для альтернативных теорий еще больше сужается. Если новая физика за пределами Стандартной модели существует, она теперь должна скрываться в еще более узких рамках, что делает потенциальные будущие открытия как более сложными, так и еще более глубокими.