Протонът все пак се оказва по-малък, отколкото се очаква

Най-простият химичен елемент, водородът, се състои от протон и електрон. Квантовата електродинамика позволява да се изчислят енергийните му нива с точност до 12 знака. Поради това водородът има важна роля в усилията ни да разберем света около нас. Върху изследванията на водорода се основава определянето на някои фундаментални константи, като например, радиусът на протона и константата на Ридберг, която се използва за изчисляване на енергийните нива и честотите на излъчване на атомите.

Това е причината, поради която вниманието на физиците е привлечено от проведен през 2010 година в Швейцария експеримент, в който се оказва, че радиусът на протона е с 4% по-малък, отколкото сочат теоретичните изчисления и практическите замервания, правени по-рано. Резултатът е получен с помощта на лазерна спектроскопия на мюонен водород, при когото електронът в атома е заменен от друга елементарна частица – мюон, който е 200 пъти по-масивен от електрона.

При лазерната спектроскопия атомите се облъчват с лазер и вследствие на погълнатата енергия преминават във възбудено състояние. Възбудените атоми сами започват да излъчват и се изследва точно това излъчване. Благодарение на факта, че мюонът е значително по-тежък от електрона, той се разполага по-близо до ядрото и по-добре „осветява“ размера на протона. Заради това радиусът на протона седем пъти по-силно влияе на спектралните линии, излъчени от мюонния водород, спрямо обикновения водороден атом.

Така става възможно с висока прецизност да се определи радиуса на протона. В обсъжданията на резултатите от експеримента от 2010 година някои физици дори изказват предположението, че тези показания може да сочат излизане извън рамките на Стандартния модел – съвременната теория за елементарните частици. Тоест, навлизане в границите на т.нар. „нова физика“, която отдавна е търсена от физици по цял свят.

За да се решат възникналите въпроси се налага провеждането на нови измервания с висока точност и при възможност – с използването на различни експериментални подходи. Седем години по-късно, физици от Института по квантова оптика „Макс Планк“ в Германия, заедно с техни руски колеги, провеждат прецизни спектроскопски измервания за обикновен водороден атом, чрез които потвърждават резултатите от опита през 2010 година. Потвърдени са стойностите за радиуса на протона и за константата на Ридберг. Пълните данни от изследването са публикувани в списание Science.

Прецизността в определяне честотата на излъчване достига до 15 знака. Високата точност е постигната благодарение на изобретението, наречено „оптичен гребен“, за което през 2005 година професор Теодор Хенш получава Нобелова награда за физика. Изследователите са се справили и с някои други технологични проблеми.

В сравнение с предходни експерименти, при които са използвани атоми със стайна температура, в новия опит атомите са със съществено по-ниска температура - 5,8 Келвина, а следователно и се движат с по-ниска скорост. Това, заедно с използването на специални методи, силно потиска доплеровото изместване на честотите, които са най-големият източник на шумове при провеждането на високоточни измервания.

Друг източник на неопределеност в настоящия експеримент е т.нар. квантовва интерференция – взаимното влияние на излъчванията на атомите на различни честоти. Нещата се свеждат до това, че е невъзможно да се постигне излъчване, съответстващо само на един енергетичен преход на електрона в атома. За да опишат влиянието на квантовата интерференция, учените са провели сложни математически моделирания, чрез които са повишили точността в определяне на честотите на излъчване и са отсели „квантовия шум“.

Засега причината, поради която радиусът на протона се оказва по-малък от теоретичните изчисления, остава неизяснена. Близките резултати в измерванията за мюонен и обикновен водород, карат физиците да се съмняват във връзката с „новата“ физика. Изследванията по темата ще продължат.