Физики из Института физики элементарных частиц общества Макса Планка измерили массу протона с рекордной точностью — по меньшей мере, в три раза точнее, чем ранее. Результат новых измерений не только усовершенствовал значение константы, но и оказался легче принятой массы протона на три десятимиллиардных доли. Значимость отклонения достигает трех сигма, а значит вероятность случайного несоответствия результатов не превышает 0,3 процента. По словам авторов, новые измерения помогут в будущем уточнить константу Ридберга — важную величину для сверхточных спектральных измерений. Препринт исследованияопубликован на сервере arXiv.org, кратко о нем сообщает Physics World.
Сверхточные измерения позволяют физикам проверять справедливость современных теорий и искать следы новых, ранее не описанных процессов. К примеру, спектроскопия водорода и антиводорода — его аналога из антипротона и антиэлектрона (позитрона) — позволяет подтвердить с огромной точностью фундаментальную симметрию между веществом и антивеществом. А сравнение спектральных характеристик обычного и мюонного водорода породило не разрешенную до сих пор загадку протонного радиуса. Частица необъяснимо изменяет свой зарядовый радиус в зависимости от того, обращается вокруг нее электрон или его тяжелый собрат мюон.
В новой работе физики с рекордной точностью измерили массу протона — ошибка не превышает 32 триллионных долей. Для этого авторы использовали ловушку Пеннинга. Магнитное поле в ней заставляет заряженные частицы двигаться по круговым траекториям с определенной (циклотронной) частотой, которая зависит лишь от массы и заряда частицы. Ученые сравнивали циклотронные частоты для протона и для полностью ионизированного атома углерода. Их заряды отличаются ровно в шесть раз (у углерода шесть электронов, а у водорода — один), а в точности 1/12 массы атома углерода-12 взята за атомную единицу массы. Массу иона углерода можно получить, вычтя из массы атома углерода массу шести электронов и поправку на энергию связи между ядром и электронами. Точность определения массы иона углерода достигает 0,08 триллионных.
В результате серии измерений ученые получили массу протона равную 1,007 276 466 583(15)(29) атомной единицы массы. Числа в скобках соответствуют статистической и систематической погрешности. Как отмечают авторы, результат в три раза точнее, чем значение, опубликованное CODATA (международная группа, периодически публикующая актуальные и общепринятые значения констант) на основе последних измерений — 1,007 276 466 879(91). Более того, полученное значение отличается от данных CODATA со статистической значимостью в 3,3 сигма. Причина такого расхождения не вполне ясна, она может крыться как в неизвестных физических эффектах, так и в неточности эксперимента.
Одновременно с точными измерениями массы и радиуса протона идет работа по сверхточным измерениям постоянной Планка и числа Авогадро. В ближайшее время на их основе физики планируют переопределить эталон килограмма и заменить платино-иридиевый слиток в Палате мер и весов на точные значения двух физических констант.