Главная » Наука и образование » Непостоянство радиуса протона попытались объяснить квантовой интерференцией

Непостоянство радиуса протона попытались объяснить квантовой интерференцией

Опубликовано: 2017-10-09

Непостоянство радиуса протона попытались объяснить квантовой интерференцией

Согласно данным CODATA, международной комиссии, отслеживающей, анализирующей и
публикующей новые результаты измерений фундаментальных констант, зарядовый радиус
протона составляет 0,8751(61) фемтометра. Эта величина показывает то, как пучок
отрицательно заряженных частиц рассеивается на протоне — чем больше зарядовый
радиус, тем большая доля частиц будет рассеиваться. Один из методов его измерения
 — сверхточная спектроскопия электронных
переходов в атоме водорода. Отличный от нуля размер протона влияет на энергию
электронов, находящихся рядом с ним, и смещает их энергию на небольшую
измеримую величину, которую можно описать в рамках квантовой электродинамики.

В 2010 году международная группа физиков опубликовала
результаты экспериментов с экзотической частицей — мюонным водородом. Она
отличается от обычного водорода тем, что электроны в ней заменены на более тяжелые
лептоны — мюоны (в 207 раз тяжелее). Эксперимент должен был уточнить зарядовый
радиус протона — мюон летает гораздо ближе к ядру, чем электрон, и лучше «чувствует»
размеры частицы. Однако новые точные данные оказались на четыре процента
меньше, чем принятые на тот момент — 0.8418 фемтометра.
Эта разница в несколько раз превышает погрешность эксперимента, а значит речь
шла о каком-то принципиально новом эффекте. Протон словно бы сжимался рядом с
мюоном. Со временем и уточнением данных значимость разницы между радиусами
протона только росла, ставя под вопрос абсолютную точность квантовой
электродинамики. До сих пор однозначного решения загадки представлено не было. Подробнее
об этом можно прочитать в нашем материале «Щель в доспехах»

Как правило, основными источниками погрешности в экспериментах
с возбужденными атомами являются допплеровские сдвиги (из-за большой скорости горячих
атомов — порядка трех километров в секунду), эффект Старка (сдвиг и расщепление
линий в электрическом поле) и влияние сверхтонкой структуры. Авторы новой
работы снизили температуру атомов до криогенной и уменьшили скорости примерно
на порядок. В дополнение к этому, ученые научились бороться с квантовой
интерференцией.

Квантовая интерференция — хорошо известное в ядерной оптике
явление. Оно возникает, когда есть два энергетических перехода с близкими по
значению энергиями. Эти переходы могут влиять друг на друга, аналогично тому,
как два когерентных луча света могут формировать интерференционную картину
складываясь друг с другом. В атомной спектроскопии интерференция возникает
из-за расщепления энергетических уровней.  Ранее считалось, что это явление дает очень слабый
вклад в сдвиг спектральных линий, из-за чего физики практически не учитывали
его.

В новой работе эксперимент был построен следующим образом. На первом этапе
в установку попадал пучок холодных атомов водорода. Он был возбужден из
основного в одно из двух сверхтонких 2S-состояний с помощью двухфотонного поглощения. Затем атомы дополнительно
возбуждались в следующее состояние (4P) с помощью синего лазера. Интерферирующие переходы в сверхтонкой
структуре этого энергетического уровня расположены довольно далеко друг от
друга (это расстояние в сто раз больше ширины линий), но все равно дают большой
вклад в положение пика перехода 2S-4P. Он оказался
соизмерим с расхождением между частотами переходов в обычном и мюонном
водороде.

После тщательной обработки результатов эксперимента,
продлившегося около года, физики оценили зарядовый радиус протона — он оказался
равен 0.8335(91) фемтометра, что в рамках погрешности совпадает с результатами
для мюонного водорода и на три стандартных отклонения меньше, чем у
традиционных экспериментов. Как отмечают авторы, говорить о решении проблемы радиуса
протона еще рано — новый результат получен лишь на одном измерении (хотя его
точность и превосходит объединенную точность других измерений). Необходимо
выяснить причину, из-за которой ранние результаты оказываются систематически
сдвинуты. Кроме того, новый радиус расходится не только со спектроскопическими
экспериментами, но и с данными по рассеянию электронов на протоне.

Чтобы окончательно раскрыть загадку зарядового радиуса
протона, потребуются дополнительные эксперименты — в том числе и с более
тяжелыми ядрами. К примеру, недавно мы сообщали о
спектроскопии мюонного дейтерия, которая также подтвердила расхождение в
радиусах дейтрона.

Владимир Королёв

N+1