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 31625 0 Наука и образование
1
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 1962 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 2273 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 2054 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 2176 0 Наука и образование
-1
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 1969 0 Наука и образование
0
На программу развития Сколково выделено 502 млрд
На государственную подпрограмму «Создание и развитие инновационного центра «Сколково» до 2020 года выделено 502 млрд рублей, из них бюджетные средства - 135,6 млрд рублей, сообщил в четверг министр экономического развития России Алексей Улюкаев. «Финансирование подпрограммы составит 502 миллиарда рублей, из которых ..
2013-08-1 1956 0 Наука и образование
0
Сонин о стене серости, реформе РАН и плагиате
В конце июня стало известно, что проректор Российской экономической школы (РЭШ) Константин Сонин принял решение покинуть это учебное заведение. Сонин, один из самых известных экономистов России, пояснил, что не испытывает по поводу ухода «ни злобы, ни горечи», а также ..
2013-08-2 1852 0 Наука и образование
0
Все лекции MIT теперь можно прослушать через Интернет
На официальном сайте Массачусетского технологического института пользователи смогут найти записи лекций, семинаров и обучающих курсов ведущих профессоров MIT. Учебные материалы представлены как в виде видеоуроков, так и в виде аудиофайлов. Чтобы повысить свой образовательный уровень, нужно знать ..
2013-08-3 2218 0 Наука и образование
0
Академия наук в Америке
Американская Академия наук очень большая. Куда больше российской или французской, а называется она - «университеты». По старой британской традиции слово Academy обозначает систему высшего образования, а academic - преподаватель университета. Можно вспомнить слова студенческой песни средневековых школяров: ..
2013-08-4 3696 0 Наука и образование
0
Университет Калифорнии откроет все свои публикации
Университета Калифорнии в США объявил о том, что все новые научные статьи, которые будут написаны его сотрудниками, выложат в открытый доступ. Это значит, что помимо публикации в научных журналах они попадут в бесплатную онлайн-библиотеку, воспользоваться которой сможет любой желающий. Подробности приведены на официальном ..
2013-08-5 2014 0 Наука и образование
0
РАН проведет внеочередное собрание для обсуждения реформы
Российская академия наук проведет внеочередное собрание в начале сентября, передают интернет-СМИ. Президент РАН Владимир Фортов пояснил, что поводом для сбора послужила необходимость обсуждения грядущей реформы академии. В конце июня Минобрнауки объявило о масштабной реформе РАН. Госдума приняла ..
2013-08-6 1687 0 Наука и образование
0
Ученых поделят на лидеров и аутсайдеров
Минобрнауки предлагает раз в пять лет проверять научные организации на эффективность. Утративших научный профиль ждет реорганизация или ликвидация. Минобрнауки вслед за мониторингом эффективности вузов хочет ввести похожую процедуру с научными организациями. Ведомство выставило разработанный документ для общественного обсуждения: ..
2013-08-6 1866 0 Наука и образование
1
РАН обсудит реформу на чрезвычайном общем собрании 5 сентября
Чрезвычайное общее собрание Российской академии наук, на котором будут обсуждаться поправки к резонансному закону о реформе РАН, назначено на 5 сентября, заявил председатель профсоюзов РАН Виктор Калинушкин. "Уже 5 сентября, как нам сообщил сегодня Владимир Евгеньевич Фортов (президент РАН - ИФ), будет ..
2013-08-7 1765 0 Наука и образование
0
Эксперт: управлять вузами должны ученые
Ректор Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения Анатолий Оводенко рассказал "Росбалту" о кадровом голоде в науке. "В России сейчас отсутствует среднее инженерное звено в возрасте от 30 до 50 лет, оно практически потеряно. И даже если мы сейчас начнем быстро заполнять инженерные ..
2013-08-19 1845 0 Наука и образование
0