Точная спектроскопия переходов 2S-nS в атомарном водороде — определение радиуса заряда протона
Простота структуры атома водорода делает его идеальной моделью для изучения атомной структуры и взаимодействий. Однако, определение радиуса заряда протона — меры пространственного распределения электрического заряда протона — связано с большими трудностями. Некоторые учёные проводят эксперименты с обычными атомами водорода, а другие — с мюонным водородом — это экзотический атом водорода, состоящий из отрицательно заряженного мюона, связанного с протоном (вместо электрона, связанного с протоном). Теоретически, протоны как в обычном, так и в мюонном водороде должны иметь одинаковый радиус заряда. Но некоторые экспериментальные результаты показали расхождения в точных измерениях радиуса заряда мюонного водорода (дали меньшее значение). Это расхождение называется "загадкой радиуса протона" и мучает физиков с 2010 года. Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, описывает метод измерения, который помогает разрешить некоторые прошлые несоответствия.
Рис. Экспериментальная установка. Источник: Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/lgl2-6cb8.
С помощью передовой лазерной спектроскопии и цезиевых часов учёные провели точные измерения частот определенных энергетических переходов внутри атома водорода. На эти переходы влияет радиус заряда протона. Таким образом, удалось рассчитать более точное значение радиуса заряда протона, а также точное значение частоты Ридберга. В эксперименте было использован криогенный пучок атомарного водорода, в котором атомы возбуждались до более высокого энергетического состояния, что позволило применить спектроскопии.
По итогу обнаружено, что радиус заряда протона 0,8433 фемтометра и частота Ридберга 3 289 841 960 252,9 кГц, что находится в полном соответствии с последними установленными значениями из базы данных CODATA. Эти результаты согласуются с меньшим радиусом протона, обнаруженным в мюонном водороде, включая первое измерение 2010 года. Полученный результат отличается от исходного значения радиуса заряда протона на 4%.
Хотя некоторая неопределенность сохраняется, особенно из-за небольшого расхождения с предыдущими измерениями, проведенными с использованием различных переходов, полученные результаты значительно повышают уверенность в меньшем радиусе заряда протона.
