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:
Математик Людвиг Фаддеев удостоен высшей награды РАН
Профессор Санкт-Петербургского государственного университета, математик Людвиг Фаддеев удостоился высшей награды Российской академии наук — большой золотой медали имени Михаила Ломоносова. Об этом сообщает в пятницу, 7 марта, агентство «Интерфакс» со ссылкой на пресс-службу вуза. Большая золотая медаль ..
2014-03-10 784 0 Наука и образование
0
Названы главные особенности теории всего
Лауреат Нобелевской премии по физике Герард’т Хоофт назвал две особенности, которыми, по его мнению, будет наделена теория всего. Точка зрения нидерландского ученого изложена в его препринте на arXiv.org.«Кажется очевидным, что это решение (непротиворечивое объединение общей теории относительности и квантовой механики ..
2017-10-09 1215 0 Наука и образование
0
Физики анонсировали создание «микроба Шредингера»
Американские физики объявили о своем плане поместить живой организм в два состояния одновременно — чтобы продемонстрировать применимость квантовой механики к биологии. Опыт анонсирован в журнале препринтов arXiv, а коротко о нем сообщает The Guardian. Ученые хотят поместить обычный микроб в состояние неопределенности, ..
2015-09-19 657 0 Наука и образование
0
Физики предложили «запутать» атомные часы
Физики из США и Дании предложили создать глобальную сеть сверхточных атомных часов, использующих квантовую запутанность для повышения точности своей работы. Свое исследование ученые опубликовали в журнале Nature Physics, кратко с ним можно ознакомиться на сайте Nature. Специалисты выдвинули идею ..
2014-06-18 810 0 Наука и образование
0
Физики продемонстрировали квантовый сюрреализм
Физики из Торонтского университета в Канаде продемонстрировали то, что критики их предыдущих работ назвали квантовым сюрреализмом. Проведенный учеными эксперимент подтверждает интерпретацию квантовой механики, предположенную физиками Луи Де Бройлем и Дэвидом Бомом. Исследование опубликовано в журнале Science Advances, а кратко о нем сообщает ..
2016-02-20 898 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 3901 0 Наука и образование
0
Американский физик разгадал парадокс кота Шрёдингера
В 1935 году великий физик, нобелевский лауреат и основоположник квантовой механики Эрвин Шрёдингер сформулировал свой знаменитый парадокс. Учёный предположил, что если взять некого кота и поместить его в стальную непрозрачную коробку с "адской машиной", то через час он будет жив и мёртв одновременно. ..
2013-08-29 1154 0 Наука и образование
0
РКЦ проведет Международную конференцию по квантовым технологиям
В Москве с 13 по 17 июля 2015 года пройдет 3-я Международная конференция по квантовым технологиям. Об этом сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию «Ленты.ру» от организаторов мероприятия — Российского квантового центра (РКЦ). Конференция посвящена последним результатам, полученным учеными в квантовой физике, а также технологиям ..
2015-06-03 808 0 Наука и образование
0
«Лента.ру» проведет онлайн научно-популярной лекции по квантовым компьютерам
«Лента.ру» проведет онлайн трансляцию научно-популярной лекции по квантовым компьютерам, которая состоится 13 июля 2015 года с 10:00 по 10:45 мск. После нее с 11:15 до 13:15 мск ожидается дискуссия. Лекция состоится в конференц-зале гостиницы «Украина», для того чтобы ее прослушать, на сайте мероприятия ..
2015-07-11 702 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 1152 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 1916 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 1008 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 ..
2016-06-05 791 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 1244 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 ..
2014-08-12 839 0 Наука и образование
0