Самые точные измерения энергии диссоциации молекулы водорода разошлись с теорией

Физики из Нидерландов, Швейцарии и Китая измерили энергию диссоциации молекулы водорода H₂, поставив новый рекорд точности (относительная погрешность порядка 10⁻⁹). Оказалось, что уточненное значение расходится с результатами последних теоретических расчетов. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Атом водорода — это пример простейшей квантовой системы, состоящей всего из двух связанных частиц (протона и электрона). Благодаря этой простоте многие параметры атома водорода — например, энергетический спектр, то есть расстояние между энергетическими уровнями — можно точно вычислить теоретически, а затем сравнить с экспериментом и проверить, насколько хорошо работает построенная теория. Для больших атомов, в состав которых входит более двух частиц, такую проверку провести гораздо сложнее, поскольку сложность вычислений в квантовой механике очень быстро растет с увеличением числа частиц. В свое время совпадение экспериментальных данных с теоретически вычисленной энергией перехода между энергетическими уровнями атома водорода послужило хорошим аргументом в пользу зарождающейся квантовой механики. В дальнейшем точные измерения показали, что для корректного описания динамики частиц необходимо перейти к релятивистским уравнениям движения, учесть спин-орбитальное взаимодействие и другие, еще более тонкие эффекты.

Молекула водорода, состоящая из двух атомов водорода, — гораздо более сложная система, однако ее тоже часто используют для проверки законов природы на микроуровне. В этом случае физикам интересно измерить энергию диссоциации системы, то есть энергию, которая выделяется при разнесении связанных атомов на бесконечно большое расстояние. Впервые энергию диссоциации молекулы водорода вычислили в рамках квантовой механики в 1927 году Гайтлер (W. Heitler) и Лондон (F. London); в дальнейшем это значение заметно уточнили, включив в рассмотрение релятивистские эффекты и пересчитав его в рамках квантовой электродинамики (КЭД).

Впрочем, напрямую измерить энергию диссоциации очень сложно, и обычно физики идут обходным путем, разбивая процесс измерения на несколько этапов. На первом шаге экспериментаторы определяют энергию ионизации молекулы H₂ и атома H, то есть проверяют, сколько энергии нужно, чтобы оторвать от частицы один электрон. Обозначим эти величины как E(H₂) и E(H) соответственно. На втором шаге ученые разрывают ионизированную (потерявшую электрон) молекулу H₂⁺ на атом H и ион H⁺ (это гораздо проще, чем работать с целой молекулой) и измеряют затраченную на процесс энергию D(H₂⁺). Наконец, на третьем шаге физики совмещают данные трех экспериментов, чтобы получить энергию диссоциации нейтральной молекулы водорода: D(H₂) = E(H₂) + D(H₂⁺) − E(H). Предыдущие измерения, выполненные по такой схеме, позволили установить величину D(H₂) с относительной погрешностью около 10⁻⁸, что отлично согласуется с теоретическими расчетами.

В новой статье группа физиков под руководством Цуньфэн Чэна (Cunfeng Cheng) сосредоточилась на первом этапе измерения энергии диссоциации молекулы водорода, то есть измерила энергию ионизации молекулы. Для этого ученые реализовали новую схему возбуждения, в которой молекула переводится в промежуточное состояние, а потом теряет электрон — а точнее, переходит в ридберговское состояние 56p₁, энергию ионизации которого можно точно рассчитать теоретически.

На первом этапе физики облучали молекулы ультрафиолетовым лазером с резонансной длиной волны (около 179 нанометров) и энергией импульса порядка двух микроджоулей. Измеряя спектр поглощения молекулы, приближая его распределением Гаусса и учитывая различные поправки (например, доплеровский сдвиг), ученые определили энергию, связанную с переходом в промежуточное состояние GK(1, 1) ← X(0, 1). Затем исследователи определили похожим образом энергию перехода в ридберговское состояние 56p₁ ← GK(1, 1), только на этот раз лазер имел гораздо большую длину волны (примерно 1580 нанометров). Наконец, на последнем этапе физики оценили энергию связи ридберговского состояния с помощью численных расчетов в рамках теории многоканальных квантовых дефектов (Multichannel quantum-defect theory).

В результате ученые получили энергию ионизации E(H₂) = 124357,238062(25) обратных сантиметров, то есть относительная погрешность эксперимента составила всего 2×10⁻¹⁰. Совмещая новые данные с измеренными ранее энергиями D(H₂⁺) и E(H), физики пришли к значению D(H₂) = 35999,582894(25) обратных сантиметров с относительной погрешностью порядка 7×10⁻¹⁰. Таким образом, погрешность нового результата почти в десять раз меньше погрешности старого значения. Более того, он отклоняется от результата последних теоретических расчетов почти на три сигма, что может указывать на «новую физику» за пределами Стандартной модели. Впрочем, авторы статьи отмечают, что расхождение могло быть вызвано незначительными ошибками в теоретической работе, например, недооценкой неадиабатических эффектов (отвечающих быстрому изменению параметров системы) при расчете поправок КЭД.

В настоящее время квантовая электродинамика проверена в экспериментах с огромной («бесконечной») точностью — например, измеренное на практике и теоретически рассчитанное значение аномального магнитного момента электрона совпадают вплоть до восьмого знака. С другой стороны, некоторые эффекты в рамках КЭД объяснить нельзя. Один из самых известных таких эффектов — это «загадка радиуса протона», противоречие между экспериментами по определению протонного размера, в которых участвуют обычные атомы водорода и мезоатомы. Впрочем, некоторые ученые предполагают, что «загадку» можно списать на неучтенные эффекты, которые искажали результаты измерений (например, квантовая интерференция). Более точные эксперименты, в том числе эксперименты по измерению энергии ионизации молекулы водорода, подтвердят или опровергнут эти предположения. Про другие отклонения от Стандартной модели, в состав которой входит КЭД, можно прочитать в нашем материале «Разрешите отклониться».

Дмитрий Трунин