Радиус протона измерили по переходу 2S−8D атома водорода

Американские и российские физики сообщили о точном измерении частоты перехода 2S_1/2−8D_5/2 атома водорода. С помощью комбинации этого значения с известным значением для частоты перехода 1S_1/2−2S_1/2 того же атома физики вычислили зарядовый радиус протона, который составил 0,8584(51) фемтометра. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Атомное ядро на пять порядков меньше по размеру, чем орбиты кружащих вокруг него электронов. Этот факт долгое время не требовал учета конечности ядер, при построении атомных моделей и при интерпретации экспериментов с ними. Однако, рост точности спектроскопического эксперимента, идущий бок о бок с теоретической детализацией, позволил однажды «почувствовать» и сами ядра. 

Этот процесс увенчался большой загадкой: 2010 году ученые из коллаборации CREMA, занимавшиеся спектроскопией мюонных атомов, сообщили, что измеренный ими радиус протона — сердцевины атома водорода — оказался равен 0,84 фемтометра, что отличается от общепринятого значения в 0,88 фемтометра. С этого момента физики, занимающиеся сверхточными измерениями и расчетами, начали активный поиск причин такого расхождения.

Со стороны эксперимента работа по большей части заключалась в перепроверке и уточнении результатов, полученных на разных переходах обычного атома водорода. К концу 2020 года данные большинства групп свидетельствовали в пользу мюонного значения радиуса протона. Тем не менее многие переходы атома водорода все еще ждали повторного измерения с помощью более совершенных экспериментальных техник.

Группа американских физиков при участии Артура Матвеева (Arthur Matveev) из Российского квантового центра сообщила о результатах измерения частоты перехода 2S_1/2−8D_5/2 атома водорода с относительной неопределенностью 2,6×10⁻¹². Комбинация с хорошо известным значением для частоты перехода 1S_1/2−2S_1/2 того же атома дала радиус протона, равный 0,8584(51) фемтометра.

С точки зрения теории частоты атомных переходов складываются из целого набора вкладов разной степени важности. Самую большую и грубую часть предсказывает нерелятивистская квантовая механика, затем идут поправки на релятивизм, спин-орбитальное взаимодействие и конечность массы ядра. Наконец, за самые малые эффекты отвечает квантовая электродинамика и конечность размера ядра.

Неопределенность вычисленной частоты определяется недосчитанными квантово-электродинамическими членами, а также погрешностями констант, из которых строится формула. Все константы известны с высокой точностью из других экспериментов кроме двух: постоянной Ридберга и радиуса ядра (в данном случае, протона). Это означает, что для их измерения необходимо точно измерить частоты двух переходов (подробнее об этом, а также о загадке радиуса протона читайте в материале «Щель в доспехах»). В качестве одного из них физики выбрали переход 1S_1/2−2S_1/2, чья частота уже была измерена с относительной точностью 4,2×10⁻¹⁵.

Для измерения частоты второго перехода, а именно 2S_1/2−8D_5/2, физики пропускали холодные молекулы водорода через микроволновой разряд, где они диссоциировали на атомы. Затем атомы взаимодействовали с излучением на длине волны 243 нанометра, возбуждаясь в метастабильный 2S_1/2 F=1 подуровень. Через 15 сантиметров после этого пучок атомов пересекал лазерный луч с длиной волны 778 нанометров, настроенный на переход 2S_1/2−8D_5/2. 

Благодаря технике оптических гребенок авторы могли менять частоту этого лазера в диапазоне 3 мегагерц вокруг резонанса с шагом в 25 частотных точек. Чем ближе частота к резонансу, тем больше атомов возбуждается на 8D_5/2 подуровень с последующей релаксацией на основное состояние, и тем меньше сигнал с канального электронного умножителя, расположенного в конце пути атомного пучка и настроенного на измерение количества метастабильных атомов. Физики аппроксимировали этот сигнал суммой лоренцевых контуров, соответствующих различным сверхтонким подуровням состояния 8D_5/2.

В результате эксперимента резонансная частота перехода 2S_1/2−8D_5/2 (сверхтонкого центроида) оказалась равной 770649561570,9 килогерц. Авторы тщательно исследовали все возможные источники ошибок и дополнительных сдвигов. В частности, самый большой вклад в них давали постоянный и переменный штарковские сдвиги и эффект Доплера, для правильного учета которых ученым пришлось строить теоретические модели. Суммарная неопределенность составила 2 килогерца, что в три раза меньше, чем погрешность предыдущего измерения частоты перехода 2S_1/2−8D_5/2.

Комбинация этого результата с частотой перехода 1S_1/2−2S_1/2 дала значение радиуса протона, равное 0,8584(51) фемтометра. Это значение расположилось посередине между мюонным и водородным значениями радиусов, тяготея к большему из них.

Зарядовый радиус протона можно извлечь не только из спектроскопии атомов. Недавно мы рассказывали, как физики смогли разрешить противоречие в радиусах протона, извлекаемых из экспериментов про электрон-протонному рассеянию.

Марат Хамадеев