Одним из главных научных прорывов в 2010 году было измерение радиуса протона при помощи лазерной спектрометрии так называемого мюонного водорода, вещества, ядро атома которого состоит из протона, а вращающийся вокруг ядра электрон заменен его ближайшим "кузеном" из семейства мюонов. Полученные учеными данные позволили с более высокой точностью определить радиус распределения заряда протона, который оказался на четыре процента меньше, чем значения, полученные при помощи обычного водорода. Это серьезное расхождение привлекло большое внимание научного сообщества из-за его несоответствия со Стандартной Моделью физики элементарных частиц.
Напомним нашим читателям, что водород является самым простым из всех химических элементов, согласно модели, предложенной Нильсом Бором в 1913 году, атом водорода состоит из одного протона и вращающегося вокруг него электрона. Теория квантовой электродинамики определяет энергетические уровни этой системы с точностью в 12 знаков.
Во время экспериментов 2010 года, проведенных учеными из института Пола Шеррера (Paul Scherrer Institute), Швейцария, электрон атома водорода был заменен тяжелым и нестабильным мюоном, масса которого в 200 раз превышает массу электрона. Из-за большой массы этот мюон движется вокруг ядра, протона, на более близком расстоянии и более медленно, очень хорошо "чувствуя" размер протона. Из-за этого эффект влияния размера протона на спектральные линии у мюонного водорода проявляется на семь порядков сильней, чем у обычного водорода. И это позволяет определить радиус протона с более высокой точностью.
Не так давно, группа исследователей из Института квантовой оптики Макса Планка, Германия, произвела новые спектрографические измерения при помощи обычного водорода. Полученные учеными значения постоянной Ридберга и радиуса протона практически совпадают со значениями, полученными при помощи мюонного водорода. И они отличаются на 3.3 процента от усредненных результатов других измерений, проведенных при помощи обычного водорода.
Для измерения значения постоянной Ридберга и радиуса протона немецкие исследователи использовали измерение частоты перехода самого сильного резонанса атома, переходов между энергетическими состояниями 1S-2S. Эта частота была измерена с точностью до 15 знаков в 2011 году при помощи так называемой частотной гребенки, за изобретение которой профессор Хэнш в 2005 году стал лауреатом Нобелевской премии по физике. И в качестве второй опорной точки для своих измерений немецкие ученые выбрали переход 2S-4P, который соединяет метастабильное 2S-состояние с намного короткоживущим 4P-состоянием.
Во время экспериментов атомы водорода возбуждались светом лазера с длиной волны 486 нанометров, а регистрируемым сигналом был вторичный свет, излученный водородом во время перехода атома из состояния 4P в более низкое энергетическое состояние. По сравнению с предыдущими экспериментами, данный эксперимент проводился при более низкой температуре в 5.8 Кельвинов. При такой температуре атомы водорода двигаются с меньшей скоростью, что, в совокупности с другими методами, позволило устранить влияние допплеровского эффекта на результаты измерений.
Если бы ученые имели возможность проводить спектральный анализ одного единственного атома водорода, то форма полученных спектральных линий была бы полностью симметрична. Но, к сожалению, другие атомы водорода под воздействием света того же лазера переходили в иные энергетические состояния, 4P1/2 и 4P3/2. Это вносило искажения в симметричную форму спектральных линий, из-за чего центр спектральной линии был установлен с точностью 1/10000 от ширины самой линии.
Тем не менее, несмотря на все трудности, ученым удалось измерить частоту переходов 2S-4P с погрешностью в 2.3 кГц. Это соответствует относительной погрешности в 4 единицы на 10^12. Комбинируя результаты экспериментов с результатами расчетов математических моделей, ученые установили значение постоянной Ридберга (10973731.568076(96) м-1) и, соответственно, радиуса протона (0.8335(95) фемтометра).
"Для того, чтобы найти причины несоответствия между результатами предыдущих и нынешних измерений нам потребует провести еще несколько еще более высокоточных экспериментов" - рассказывает профессор Томас Удем (Prof. Thomas Udem), руководитель проекта, - "И, в конце концов, следует помнить о том, что множество важных научных открытий было сделано именно в результате обнаружения подобных несоответствий".