Протон меньше, чем мы думали

Совместная группа ученых ФИАНа и немецкого Института квантовой оптики общества Макса Планка (MPQ) провела эксперимент, в ходе которого было определено новое значение радиуса протона. Полученные данные дают возможность по-новому взглянуть на так называемую «загадку радиуса протона» – несоответствие между результатами старых и новых экспериментов. Статья, посвященная исследованию, опубликована в журнале Science[1].

Ранее величина протонного радиуса считалась равной 0.8775 фемтометра (1 фемтометр = 10^-15 метра). Это значение было получено после усреднения результатов различных экспериментов, таких как изучение столкновений протонов с электронами и спектроскопия атома водорода. В спектроскопических экспериментах ученые измеряли длину волны света, который поглощает атом водорода при переходе из одного энергетического состояния в другое, и, сравнивая измеренное значение с теоретическими предсказаниями, вычисляли радиус протона.

Однако в 2010 году случилось неожиданное: аналогичные эксперименты с экзотическими атомами мюонного водорода, в которых вместо электрона вокруг ядра вращается мюон, дали значение радиуса протона, равное 0.8418 фемтометра. Расхождение с предыдущими данными оказалось в 5 раз больше погрешности эксперимента. Такое несоответствие породило целую серию возможных объяснений – от ошибок в эксперименте до несовершенства квантовой электродинамики, которая в данный момент считается наиболее полной общепринятой теорией. Допускалось, что квантовая электродинамика не описывает какое-то важное взаимодействие частиц в мюонном водороде, и дальнейшие исследования позволят обнаружить «новую физику». На отличие мюонных атомов от обычных указывали и другие исследования.

Прояснить ситуацию был призван эксперимент, задуманный директором ФИАНа Николаем Николаевичем Колачевским и осуществленный в лаборатории немецкого института MPQ. В ходе исследования изучался переход между энергетическими уровнями 2S и 4P при взаимодействии охлажденных атомов обыкновенного водорода с излучением лазера. Ученые обнаружили, что существенные поправки к результату дает эффект квантовой интерференции при распаде энергетических уровней, который хорошо известен в ядерной физике, однако оставался незамеченным в оптических исследованиях. В течение года группа производила тщательные расчеты и перепроверку результатов, а затем опубликовала новое значение радиуса протона. Оно составило 0.8335 фемтометра, что в пределах погрешности совпадает с данными по мюонному водороду.

Таким образом, говорить о наличии «новой физики» в мюонных атомах преждевременно. Однако по-прежнему остается до конца невыясненным, в чем же причина существенного расхождения результатов последних экспериментов с предыдущими. Как сообщают авторы исследования, анализ погрешностей не дает удовлетворительного ответа на этот вопрос, поэтому для прояснения ситуации, безусловно, потребуются новые эксперименты и более детальное изучение других энергетических переходов в атоме водорода.

К. Кудеяров, АНИ «ФИАН-информ»