С беспрецедентной точностью измерена ширина протона
На сегодняшний день квантовая электродинамика (КЭД) является наиболее успешной теоретической моделью для описания взаимодействия света и материи на фундаментальном уровне. Для того чтобы любая теория в физике оставалась жизнеспособной, её предсказания должны быть подтверждены реальными экспериментами. Один из таких тестов включает измерение ширины протона, или "радиуса заряда". Немецкие физики провели самое точное на сегодняшний день измерение ширины протона. Изучив ранее неисследованный энергетический переход в атоме водорода, Лотар Майзенбахер и его коллеги из Института квантовой оптики им. Макса Планка показали, что Стандартная модель продолжает выдерживать чрезвычайно строгую проверку, оставляя еще меньше места для конкурирующих теорий понимания поведения Вселенной. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Рис. Измерение радиуса протона с помощью лазерной спектроскопии. Источник: Лотар Майзенбахер и др.
Электроны в атомах могут занимать только дискретные энергетические уровни, и они переходят между этими уровнями, поглощая или испуская фотоны на очень специфических частотах. Точные значения этих частот зависят от размера протона — хотя и очень незначительно. Поэтому для эксперимента учёные решили учесть внутреннюю связь между размером протона и точным положением энергетических уровней водорода.
Физики измерили переход между энергетическими уровнями — 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. Была использована высокоточная лазерная спектроскопии, которая позволила вычислить частоту переходного фотона. Она составила 730 690 248 610,7948 килогерц. Это всего на 0,0025 килогерц меньше значения, предсказанного Стандартной моделью.
На основании этих данных учёные определили радиус заряда протона, равный 0,840615 фемтометров — примерно в 2,5 раза точнее, чем любое предыдущее значение, полученное на основе переходов между энергетическими уровнями водорода.
