Физики из России и Германии впервые точно измерили радиус протона и подтвердили, что эта простейшая частица обладает заметно меньшими размерами, чем предсказывает теория, и выяснили, что одна из фундаментальных констант имеет неправильное значение, говорится в статье, опубликованной в журналеScience.
"Это очень точные и впечатляющие замеры, и мы очень серьезно относимся к данным результатам. Наш комитет скоро начнет очередную встречу, и мы, скорее всего, поменяем и массу протона, и постоянную Ридберга", — завил Кшиштоф Пахуцкий (Krzysztof Pachucki), один из экспертов международной организации CODATA, публикующей данные по всем физическим константам.
Ранее ученые уже вычисляли размер протона как напрямую, обстреливая его при помощи потока электронов, так и косвенным образом, наблюдая за структрой линий в его спектре. Эти методы дали достаточно разные результаты – в первом случае его радиус составлял примерно 0,897 фемтометра, триллионных долей миллиметра, а во втором — 0,8768 фемтометра. Позже, в 2010 году, другой косвенный метод дал еще меньший размер протона – 0,84184 фемтометра.
Эти расхождения, как считали ученые семь лет назад, могут указывать на наличие следов "новой физики" в поведении протонов, так как подобный разброс в массах, вычисленных различными путями, нельзя было объяснить в рамках Стандартной Модели.
Российские и немецкие ученые под руководством Николая Колачевского, директора Физического института РАН в Москве, выяснили, с чем были связаны эти расхождения, и подтвердили, что радиус протона действительно меньше ожидаемого примерно на 5%.
Для этого ученые разработали остроумную методику измерения размеров частицы, которая опирается на некоторые особенности того, как меняется спектр электронов в атоме водорода, "перепрыгивающих" с одной орбитали на другую при столкновении с частицами света, подчиняясь законам квантовой физики.
То, как именно происходит этот процесс, как объясняют ученые, зависит от радиуса ядра атома, что позволяет очень точно вычислить этот параметр, сравнивая спектр частиц света, которые испускаются возбужденными электронами на трех разных орбиталях.
Руководствуясь этой идеей, ученые обстреливали атомы водорода двумя разными типами лазеров, один из которых, ультрафиолетовый, возбуждал электрон и заставлял его подниматься на одну "ступеньку", а второй, синий – заставлял делать еще один или два шага вверх. Через некоторое время после этого электрон терял энергию и возвращался назад, испуская фотоны в трех разных частях спектра.
Изучив эти спектры и очистив их от помех и "квантового шума", ученые вычислили точный радиус протона – 0,8335 фемтометра, еще меньшее значение, чем было получено в ходе экспериментов 2010 года.
Это означает, что аномалии в размерах протона действительно есть, и что текущее значение постоянной Ридберга, определяющей структуру уровней энергий в атомах, было вычислено неверно. Подобный вывод вдвойне интересен по той причине, что данная постоянная считалась одной из самых точно измеренных фундаментальных величин, и теперь ученым придется заново вычислить все значения, связанные с ней.
Что интересно, схожие результаты экспериментов 2010 и 2017 годов, как отмечают ученые из ФИАН, ставят под сомнение наличие "новой физики" во взаимодействии мюонов, тяжелых "кузенов" электрона, и протонов, о которых ученые начали говорить после обнаружения этих аномалий. С другой стороны, причина расхождений пока остается неизвестной, и ее раскрытие может вывести российских и немецких физиков на ее следы.