Фізики з Німеччини провели рекордно точний вимір частоти двофотонного 1S-3S переходу атома водню, що лежить в ультрафіолетовій області, за допомогою техніки частотних гребінець. Результати експерименту дозволили отримати уточнені значення постійної Рідберга і зарядового радіусу протона, що наблизило вчених до вирішення «загадки радіусу протона». Робота опублікована в.
«Загадкою радіусу протона» називається розбіжність даних щодо вимірювання протонного розміру, отриманих різними експериментальними групами. Вона виникла в 2010 році, коли були опубліковані результати з надточного виміру лембовського зрушення в мюонному водні - екзотичній частинці, в якому електрон замінений мюоном. Мюон, згідно з принципом лептонної універсальності, не повинен відрізнятися від електрона нічим, крім маси і часу життя. Через те, що мюон у 207 разів важчий, він ближче знаходиться до протону, отже, експерименти з мюонними атомами дозволяють точніше визначити його розмір.
Виявилося, що радіус протону, отриманий при вимірюванні 2S-2P переходу в мюонному водні і приблизно рівний 0,84 фемтометра, відрізняється на 4ºвід того ж радіусу, отриманого серією спектроскопічних експериментів на звичайному водні та експериментами з електрон-протонного розсіювання, і приблизно рівного 0,88 фемтометра. Така велика розбіжність підстьобнула експериментальні і теоретичні дослідження цієї проблеми (докладніше про те, як виникла загадка радіусу протона, ви можете прочитати в нашому матеріалі «Щілина в обладунках»).
Примітно, що в більшості наступних експериментів підтвердилося менше значення радіусу протона. Винятком стала робота, опублікована паризькою групою фізиків у 2018 році: їх результати відповідали більшому значенню радіусу. Це послужило мотивацією для групи з Інституту квантової оптики суспільства Макса Планка за участю Олексія Грініна (Alexey Grinin) повторити цей вимір за допомогою лазера, який генерує оптичні частотні гребінки.
Для цього фізики створювали хмару атомів водню шляхом дисоціації молекулярного водню і доставляли його в область зіткнення зустрічних лазерних пучків. При такій схемі атом поглинає по одному фотону з кожного пучка, і це дозволяє уникнути віддачі за рахунок імпульсу фотонів. Використання ж у такому процесі частотних гребінець суттєво збільшує ефективність двофотонного поглинання.
Оптичною частотною гребінкою називається особливий вид спектру лазера, який являє собою набір вузьких піків, що відстоять один від одного на рівні частотні інтервали і нагадують таким чином зубчики розчіски. Для створення такого спектра використовується кілька різних технік, наприклад, амплітудна або фазова модуляція світла, що випускається лазером з безперервним спектром. Гребінчата форма спектра дозволяє багаторазово збільшувати точність оптичних систем. За винахід технології оптичних гребінець у 2005 році була вручена Нобелівська премія з фізики.
В результаті точність вимірювання частоти переходу 1S-3S досягла 13-го знака після коми. Це дозволило збільшити точність витягуваних з цього значення констант. Щоб зробити це, необхідно записати вираз, який пов'язує розглянуту частоту з фундаментальними константами. Сам вираз базується на формулах, одержуваних у квантовій механіці і квантовій електродинаміці. При цьому найважливіші з точки зору точності константи лише дві з них: постійна Рідберга і радіус протона. Таким чином, для їх визначення потрібно знати як мінімум дві частоти переходу, а похибки в обчисленні частот перетворюються на похибки визначення констант. Тому дослідники намагаються вибирати такі переходи, ширина спектральних ліній яких, а, отже, і похибка, мінімальна.
Найвужча спектральна лінія в атомі водню - це лінія, що відповідає переходу 1S-2S: її точність сягає 15-го знака після коми. Тому в більшості експериментів з вимірювання радіусу протону вираз для частоти цього переходу використовується в якості одного з рівнянь. В якості другого переходу різні групи фізиків використовували переходи між 2S станом і високовізоленими nS, nP, і nD-станами (які називаються ридбергівськими; про одну з таких робіт ми вже писали раніше) і 2P станом (лембовське зрушення), а також 1S-3S перехід.
До 2010 року результати цих експериментів свідчили про більше значення радіусу протона. Однак в останні кілька років всі вони були повторені з новим рівнем точності, включаючи досліди з розсіювання електронів, про які ми вже писали, і у всіх випадках крім одного, розмір протона вийшов меншим. Більше значення вийшло лише у паризької групи фізиків, які вимірювали частоту переходу 1S-3S атома водню за допомогою лазера з безперервним спектром.
У новій роботі дослідники отримали таке значення радіусу протона, яке виявилося набагато ближче до значення, отриманого в мюонному експерименті, і майже на 3ºвідрізнялося від значення, отриманого паризькою групою. Таким чином, фізики, здається, поставили крапку в суперечці про те, яке ж із значень найбільш близько до істинного. Однак, ще незрозуміло, чому вимір однієї і тієї ж частоти у одного і того ж атома за допомогою різних технік дає різну відповідь. Результати роботи групи наводять на думку, що остаточне рішення загадки протона варто все ж шукати в апаратній або систематичній частині експерименту (або декількох експериментів), а не в теорії.
На важливість виконаної роботи звернув увагу професор Вім Убахс з Астердамського вільного університету, який в тому ж номері журналу опублікував коротку замітку під назвою «Криза і катарсис в атомній фізиці». Він зазначив, що минулі роки в пошуках узгодженості в атомній фізиці, якими ознаменувалася загадка радіусу протона, стануть цікавою темою дослідження для істориків і соціологів науки.
Радіус протона і постійна Рідберга - не єдині постійні, за точність яких борються вчені. Ми вже писали раніше про те, як фізики уточнили постійну Планка, гравітаційну постійну і постійну тонкої структури.