Что означает новое открытие для известной нам физики?
Команда под руководством Лотара Майзенбахера из Института квантовой оптики Макса Планка сосредоточилась на определении так называемого зарядового радиуса протона – параметра, характеризующего распределение электрического заряда внутри частицы. Это одна из ключевых величин для проверки квантовой электродинамики – теории, описывающей взаимодействие света и материи и являющейся фундаментальной частью Стандартной модели, пишет Phys.org.
Смотрите также Еще одна часть пазла раскрыта: как образовалась первая жизнь и какие процессы этому способствовали
Любая физическая теория должна выдерживать проверку экспериментом. Квантовую электродинамику неоднократно тестировали с чрезвычайной точностью, и в большинстве случаев эксперименты подтверждали ее прогнозы. В то же время физики постоянно ищут даже минимальные отклонения, которые могли бы указывать на существование новой физики.
Одним из таких тестов является измерение радиуса протона через спектроскопию водорода. Энергетические уровни электрона в атоме водорода зависят от размеров протона, хотя это влияние чрезвычайно мало. Когда электрон переходит между уровнями, он излучает или поглощает фотон с точно определенной частотой. Именно эти частоты можно измерить с высокой точностью.
Исследователи, чья работа появилась на страницах Nature, проанализировали переход из возбужденного состояния 2S в еще более высокое состояние 6P. Состояние 2S имеет аномально долгое время жизни по сравнению с другими возбужденными состояниями, что делает его удобным для измерений.
С помощью лазерной спектроскопии команда определила частоту перехода – 730 690 248 610,7948 килогерц. Она отличается от предсказания Стандартной модели лишь на 0,0025 килогерц.
Так какого же размера протон?
На основе этих данных физики получили значение зарядового радиуса протона 0,840615 фемтометров. Это примерно в 2,5 раза точнее, чем предыдущие оценки, полученные из измерений энергетических переходов в водороде.
Что такое фемтометр
Это единица измерения длины, равной 10-15 метра (одна квадриллионная часть метра). Она используется преимущественно в ядерной физике для измерения размеров атомных ядер и элементарных частиц.
Важно, что новый результат согласуется с меньшими значениями радиуса, полученными ранее в других экспериментах с водородом, и помогает разрешить противоречия, которые возникали между различными методами.
В целом эксперимент стал одним из самых строгих тестов квантовой электродинамики в связанных атомных системах. Поскольку Стандартная модель снова выдержала проверку, пространство для альтернативных теорий еще больше сузилось. Если новая физика существует, она должна проявляться в еще более тонких эффектах – на уровне, который будет чрезвычайно сложно зафиксировать, но именно там могут скрываться будущие прорывы.