Непостоянство радиуса протона попытались объяснить квантовой интерференцией

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

Похожие новости:
Физики измерили давление внутри протона
Ученые из Лаборатории Джефферсона «просканировали» внутренности протона с помощью глубоко-виртуального комптоновского рассеяния, рассчитали на основании этих данных функцию распределения партонов и один из трех гравитационных формфакторов, а также оценили давление внутри частицы. Оказалось, что давление внутри протона ..
2018-06-04 23294 0 Наука и образование
0
Сайт РАН оказался недоступен после сообщения об увольнении чиновников-академиков
Сайт Российской академии наук оказался недоступен. При попытке зайти на портал ras.ru пользователи разных провайдеров видят сообщение «Не удается получить доступ к сайту».Ранее 28 ноября президент России Владимир Путин освободил от должности четырех высокопоставленных чиновников из управделами ..
2016-11-29 3165 0 Наука и образование
0
В сфере научных публикаций выявлено колоссальное неравенство
В зарубежной, а после последних реформ — и в российской науке частота научных публикаций считается одним из важнейших критерием для оценки профессиональной пригодности ученого. Императив publish or perish («публикуйся или сгинешь») довлеет над мировым научным сообществом. Однако последнее статистическое исследование ..
2014-07-16 1467 0 Наука и образование
0
Физики «заглянули» внутрь Земли
Геофизики из США, Великобритании, Германии и Колумбии смоделировали условия в недрах Земли. Это необходимо для того, чтобы определить теплопроводность ядра и объяснить причины возникновения у планеты магнитного поля. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает EurekAlert!Ученые использовали ячейку ..
2016-06-05 1352 0 Наука и образование
0
Нужна ли физике философия?
Столкнувшись с феноменом «тонкой настройки» Вселенной, физики запросили помощь философов. Когда прославленный учёный всерьёз говорит о миллионах мультивселенных, старый вопрос о нашем космическом одиночестве приобретает новый оттенок. Наша Вселенная постоянно расширяется, причём делает ..
2014-04-07 1748 0 Наука и образование
0
Наука и её догмы
Доктор Руперт Шелдрейк не придерживается общепризнанных научных взглядов. Он получил степень доктора биохимии в Кембриджском университете и изучал в Гарварде философию и историю науки. Но, несмотря на свои научные степени, он считает, что убеждения большинства учёных основаны на догмах, и это тормозит прогресс. Например, ..
2014-04-29 1997 0 Наука и образование
0
СМИ узнали подробности обучения в секретном «университете Apple»
Тренинговая программа для сотрудников Apple, более известная как университет Apple, позволяет поучиться у преподавателей из ведущих университетов США - в том числе, Йельского, Гарвардского, Беркли, Стэнфордского и других. Об этом пишет газета The New York Times. Круглогодичный центр обучения в Apple был создан основателем компании ..
2014-08-12 1334 0 Наука и образование
0
Ведущий японский ученый повесился из-за научного скандала
Один из ведущих японских ученых, 52-летний Йошики Сасаи (Yoshiki Sasai), соавтор спорных работ по стволовым клеткам, найден мертвым, сообщает The Wall Street Journal со ссылкой на японскую полицию. Исследователь покончил жизнь самоубийством. Йошики Сасаи являлся заместителем ..
2014-08-05 1589 0 Наука и образование
0
Теоретики изучили сверхтекучие черные дыры
Ученые из Канады и Сингапура предсказали, что в термодинамике некоторых черных дыр может наблюдаться особый фазовый переход лямбда-типа. Аналогичное явление существует в физике конденсированного состояния, например, при переходе жидкого гелия в состояние сверхтекучести. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.Такая ..
2017-01-18 5341 0 Наука и образование
0
«Японский Перельман» расколол математику
Математики при проверке доказательства гипотезы Эстерле — Массера (abc-гипотеза), представленного Синъити Мотидзуки из Киотского университета, разошлись в своевременности публикации исследований ученого, сообщает New Scientist. Японца сравнивают с российским ученым Григорием Перельманом.Согласно японской газете The Asahi Shimbun, в январе ..
2017-12-21 4323 0 Наука и образование
0
Развитие науки — путь ошибок и заблуждений
Ровно сто лет тому назад Альберт Эйнштейн завершил разработку новой теории, которая изменила представление человечества о фундаментальной природе реальности. Своей общей теорией относительности Эйнштейн заменил большинство известных в то время научных идей, подобно тому, как теория ..
2015-11-15 1762 0 Наука и образование
0
Почему мы всегда позади. О первом советском компьютере
Мало кто знает, что математические основы информатики и вычислительной техники появились еще в Российской империи. Кто придумал первый русский ЭВМ, что такое БЭСМ, кому выгодна машина вместо пролетариата и почему в стране нет ни одного значимого производителя компьютеров- Ответы на эти вопросы дает ..
2014-05-10 1564 0 Наука и образование
0
Венчурный фонд под управлением УК Роснано запустят в 2015 году
Реализация стратегии ОАО "Роснано" предполагает создание инвестиционных фондов разного типа, в том числе венчурных фондов, говорится в ключевых положениях долгосрочного бизнес-плана "Роснано" до 2020 года, текст которого есть в распоряжении РИА Новости. Согласно новой стратегии ОАО "Роснано", принятой ..
2014-02-15 1550 0 Наука и образование
0
Алферов: РАН должна перейти от выживания к развитию
Академик Жорес Алферов написал открытое письмо президенту РФ Владимиру Путину по поводу грядущей реформы Российской академии наук. "Предложенный Дмитрием Медведевым и Дмитрием Ливановым в пожарном порядке закон о реорганизации РАН и других государственных академий наук и, как сейчас очевидно, поддержанный ..
2013-07-30 1584 0 Наука и образование
0
Россияне заняли третье место на Олимпиаде по математике
Она проходила в Колумбии. Российская команда обошла соперников из более чем 90 стран и заняла в общем зачёте третье место, уступив только Китаю и Южной Корее. За 2 дня участникам предстояло решить 6 сложнейших задач по 3 в каждый день. И наша команда справилась с этим великолепно. ..
2013-07-30 1428 0 Наука и образование
0