Що означає нове відкриття для відомої нам фізики?
Команда під керівництвом Лотара Майзенбахера з Інституту квантової оптики Макса Планка зосередилася на визначенні так званого зарядового радіуса протона – параметра, що характеризує розподіл електричного заряду всередині частинки. Це одна з ключових величин для перевірки квантової електродинаміки – теорії, яка описує взаємодію світла і матерії та є фундаментальною частиною Стандартної моделі, пише Phys.org.
Дивіться також Ще одну частину пазла розкрито: як утворилося перше життя та які процеси цьому сприяли
Будь-яка фізична теорія повинна витримувати перевірку експериментом. Квантову електродинаміку неодноразово тестували з надзвичайною точністю, і в більшості випадків експерименти підтверджували її прогнози. Водночас фізики постійно шукають навіть мінімальні відхилення, які могли б вказувати на існування нової фізики.
Одним із таких тестів є вимірювання радіуса протона через спектроскопію водню. Енергетичні рівні електрона в атомі водню залежать від розмірів протона, хоча цей вплив надзвичайно малий. Коли електрон переходить між рівнями, він випромінює або поглинає фотон із точно визначеною частотою. Саме ці частоти можна виміряти з високою точністю.
Дослідники, чия робота з'явилася на сторінках Nature, проаналізували перехід зі збудженого стану 2S у ще вищий стан 6P. Стан 2S має аномально довгий час життя порівняно з іншими збудженими станами, що робить його зручним для вимірювань.
За допомогою лазерної спектроскопії команда визначила частоту переходу – 730 690 248 610,7948 кілогерців. Вона відрізняється від передбачення Стандартної моделі лише на 0,0025 кілогерців.
То якого ж розміру протон?
На основі цих даних фізики отримали значення зарядового радіуса протона 0,840615 фемтометрів. Це приблизно у 2,5 раза точніше, ніж попередні оцінки, отримані з вимірювань енергетичних переходів у водні.
Що таке фемтометр
Це одиниця вимірювання довжини, що дорівнює 10-15 метра (одна квадрильйонна частина метра). Вона використовується переважно в ядерній фізиці для вимірювання розмірів атомних ядер та елементарних частинок.
Важливо, що новий результат узгоджується з меншими значеннями радіуса, отриманими раніше в інших експериментах з воднем, і допомагає розв'язати суперечності, які виникали між різними методами.
Загалом експеримент став одним із найсуворіших тестів квантової електродинаміки у зв'язаних атомних системах. Оскільки Стандартна модель знову витримала перевірку, простір для альтернативних теорій ще більше звузився. Якщо нова фізика існує, вона має проявлятися у ще тонших ефектах – на рівні, який буде надзвичайно складно зафіксувати, але саме там можуть ховатися майбутні прориви.