Прецизионная спектроскопия водорода разрешила давнюю загадку радиуса протона

Новое измерение перехода 2S–6P в атомарном водороде подтвердило мюонные данные и стало рекордным по точностиМеждународная группа физиков из Института квантовой оптики общества Макса Планка провела уникальный эксперимент, который разрешил многолетний научный спор о радиусе протона. Загадка заключалась в расхождении между значениями радиуса, полученными из спектроскопии обычного водорода и мюонного водорода. Новое измерение подтвердило меньший радиус, предложенный мюонными данными, и исключило старое значение CODATA 2014 с достоверностью 5,5σ.Мюонный водород — экзотическая форма атома, в которой обычный электрон заменён мюоном — частицей с таким же зарядом, но в 200 раз более тяжёлой, из-за чего она вращается по орбите гораздо ближе к протону. Благодаря этой близости мюонный водород в 4 порядка чувствительнее к физическому размеру ядра, что позволяло определять радиус протона с экстремальной точностью. Ранее измерения на мюонном и обычном водороде показывали разные результаты, так как точности старых методов спектроскопии обычного водорода было недостаточно для обнаружения тонких систематических искажений.Главной причиной сомнений в старом значении радиуса протона стало фундаментальное расхождение между результатами различных методов измерения, которое получило название «загадка радиуса протона» (proton radius puzzle). Ключевыми факторами стали: Появление мюонного водорода. В 2010 году были проведены измерения спектроскопии экзотического «мюонного водорода». Этот метод оказался значительно чувствительнее к размеру ядра. Значительное расхождение. Значение радиуса, полученное на мюонном водороде, оказалось существенно меньше, чем общепринятое на тот момент значение (CODATA 2014), основанное на спектроскопии обычного водорода и рассеянии электронов. Статистическое расхождение составило более 5,6 стандартных отклонений (σ), что в физике считается признаком серьёзной проблемы и отклонения измерения или гипотезы. Противоречия внутри измерений обычного водорода. Последующие попытки измерить радиус в обычном атоме водорода также давали частично противоречащие друг другу результаты, которые не могли ни подтвердить старое значение, ни окончательно согласиться с новым. Вызов фундаментальной теории. Такое расхождение поставило под вопрос точность квантовой электродинамики (КЭД) и Стандартной модели в целом. Учёные предположили, что в теории могут отсутствовать или быть неполными важные слагаемые, описывающие взаимодействие частиц.В конечном итоге, именно невозможность объяснить, почему один и тот же параметр (радиус протона) принимает разные значения в зависимости от метода измерения, заставила физиков пересмотреть старые стандарты и провести новые, сверхточные эксперименты, такие как измерение перехода 2S–6P (высокоточный физический параметр, соответствующий энергии, необходимой для возбуждения электрона из метастабильного состояния 2S (главное квантовое число n=2) в состояние 6P (n=6)). Именно точное измерение частоты 2S–6P позволило вычислить радиус заряда протона с точностью, в 2,5 раза превышающей предыдущие методы.Изображение электронных орбиталей атома водорода, полученное с помощью квантового микроскопа в 2013 году. Источник: APS / Alan StonebrakerНовый эксперимент был основан на измерении частоты перехода 2S–6P в атомарном водороде. Для этого использовался криогенный пучок атомов водорода при температуре 4,8 К, что минимизировало доплеровские эффекты. Атомы возбуждались лазером на длине волны 243 нм, а последующая спектроскопия проводилась на длине волны 410 нм. Для устранения систематических сдвигов применялись активный волоконный ретрорефлектор (AFR), обеспечивающий высокую степень параллельности встречных лучей, и метод селекции атомов по скоростям, который позволил экстраполировать данные к нулевой скорости.Особое внимание было уделено устранению влияния сдвига светового давления (LFS) и квантовой интерференции (QI). LFS возникает из-за дифракции атомов на стоячей световой волне, что приводит к асимметрии спектральной линии. Для его учёта использовалось квантово-механическое моделирование с функциями Вигнера. QI, вызванная интерференцией путей возбуждения и распада, была минимизирована с помощью «магического угла» поляризации лазера (56,5°) и большого телесного угла сбора фотонов. Эти меры позволили достичь точности измерений на уровне 0,7 триллионных долей (ppt).Полученное значение радиуса протона составило 0,8406(15) фм. Новое измерение подтвердило расхождения и исключило старое значение измерение на мюонных данных CODATA 2014 с достоверностью 5,5σ.Вакуумная камера, используемая для измерения электронных переходов в атомарном водороде. Фото: Axel Beyer/MPQТочность эксперимента позволила проверить поправки КЭД для связанных состояний с точностью 0,5 миллионных долей (ppm). Это является самым строгим тестом на сегодняшний день. Кроме того, достигнутые результаты накладывают ограничения на существование гипотетических частиц за пределами Стандартной модели.Работа также открывает перспективы для дальнейших исследований. Новые измерения переходов, таких как 2S–8D (высокоточный переход в атоме водорода из метастабильного состояния 2S в возбужденное состояние 8D, измерение частоты которого, наряду с переходом 2S–6P, используется для определения радиуса протона и проверки предсказаний квантовой электродинамики) или 2S–4P (спектроскопический переход в атоме водорода, прецизионное измерение частоты которого стало более ранней попыткой авторов разрешить загадку радиуса протона и подтвердило «меньший» мюонный результат, хотя и обладало в 6 раз меньшей точностью по сравнению с текущей работой над переходом 2S–6P), могут обеспечить ещё более глубокое понимание фундаментальных взаимодействий. Методология, разработанная в этом эксперименте, станет основой для будущих исследований.Таким образом, прецизионная спектроскопия водорода разрешила загадку радиуса протона, с точностью, которой достаточно, чтобы «отсеять» ошибочные значения и подтвердить, что протон действительно «маленький», как и предсказывал мюонный водород. Авторы отмечают, что нахождение центра частоты перехода с точностью в одну часть на 15 000 от экспериментальной ширины линии является ключевым достижением данной работы относительно ширины линии является беспрецедентным для лазерной спектроскопии. Эта точность превратила спектроскопию водорода из простого метода измерения в мощный инструмент поиска «новой физики» за пределами Стандартной модели.
Прецизионная спектроскопия водорода разрешила давнюю загадку радиуса протона

Сообщает www.ixbt.com

 

Опубликовано: 22:42, 18.04.2026

 

Новость из рубрики: Политика

 

Поделиться новостью: Поделиться новостью в Facebook Поделиться новостью в Twittere Поделиться новостью в VK Поделиться новостью в Pinterest Поделиться новостью в Reddit

 

Топ новости часа Топ новости часа

 

Евросоюз хочет отправить на переговоры с РФ давнюю знакомую Путина 01:42, 14 Май Евросоюз хочет отправить на переговоры с РФ давнюю знакомую Путина Среди потенциальных кандидатов для ведения переговоров с Россией, в том числе в Европе и в Германии, называют бывшего канцлера ФРГ Ангелу Меркель. Чи...

Загадку портов USB объяснили 16:42, 12 Май Загадку портов USB объяснили Порты USB-C решили не раскрашивать в разные цвета, чтобы не вызывать путаницы. Об этом сообщает издание BGR. Авторы медиа напомнили, что разъемы USB-...

Искусство создания кухни мечты - Индивидуальные проекты от Silver НOME 16:58, 23 Мар Искусство создания кухни мечты - Индивидуальные проекты от Silver НOME Каждая кухня это не просто место приготовления пищи. Сердце дома, пространство, где рождаются воспоминания, создаются уютные вечера и формируются сем...

Павел Дуров ответил на тюремную загадку про два стула 05:42, 01 Окт Павел Дуров ответил на тюремную загадку про два стула В новом интервью Лексу Фридману Павел Дуров поделился своим взглядом на известную тюремную загадку про два стула (с "пиками точёными" и фаллосами). П...

Проверка и калибровка средств измерений геометрических величин с ЮЖУРАЛ-ТЕСТ 11:22, 20 Апр Проверка и калибровка средств измерений геометрических величин с ЮЖУРАЛ-ТЕСТ В современном производстве и инженерии точность измерений - основа качества и безопасности продукции. Любая ошибка, даже на микроуровне, может привес...

Китай показал батарею для хранения электричества и водорода 13:42, 16 Май Китай показал батарею для хранения электричества и водорода Китайские исследователи показали лабораторный прототип батареи, которая умеет делать две вещи сразу: накапливать электричество и удерживать водород в...

В России создали экономичный катализатор для производства водорода из сельхозотходов 10:42, 13 Мар В России создали экономичный катализатор для производства водорода из сельхозотходов Исследователи Томского политехнического университета разработали простой и недорогой способ получения катализаторов для выделения водорода из сельхоз...

В России создали новый материал для датчиков утечки водорода 13:42, 13 Май В России создали новый материал для датчиков утечки водорода Ученые из Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова (ИОНХ РАН) и МГУ им. М. В. Ломоносова совместно с коллегами из Еврейского универ...

11:42, 09 Май Физики впервые разгадали 40-летнюю загадку фундаментального закона Ученые из Вюрцбургского университета впервые экспериментально подтвердили работу уравнения Кардара–Паризи–Чжана в двумерной системе. Эта теория счита...

18:42, 21 Дек Машинное обучение и микроскопия разгадали 170-летнюю загадку таяния льда Благодаря новаторскому сочетанию машинного обучения и атомно-силовой микроскопии исследователи из Китая раскрыли молекулярную структуру поверхности «...

22:42, 31 Дек Томские ученые в три раза удешевили хранение водорода новым композитом Ученые Томский политехнический университет разработали композитный материал для хранения водорода, себестоимость которого примерно в три раза ниже за...

15:42, 09 Фев Ракета SLS для миссии Artemis II проходит доработку после устранения утечки водорода После завершения генеральной репетиции заправки (wet dress rehearsal) 3 февраля, предшествующей миссии Artemis II, техники заменили два уплотнителя в...

16:42, 05 Апр Плазма в реакторе ведет себя неслучайно: физики в США разрешили многолетнюю загадку тепловой нагрузки в термоядерных реакторах Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (Princeton Plasma Physics Laboratory, PPPL) обнаружили важный фактор, который влияет на повед...

22:42, 07 Май Google разрешила выбирать сайты для поиска — вот как это работает Google продолжает развивать инструменты персонализации поиска и объявила о расширении функции Preferred Sources — она позволяет пользователям самосто...

11:42, 13 Дек FIS разрешила паралимпийцам из РФ участвовать в турнирах с гимном и флагом Это стало следствием решения Спортивного арбитражного суда (CAS), который в декабре назвал неправомерным недопуск россиян к международным соревновани...

15:42, 08 Май FIFA не разрешила вратарю Хайкину играть за сборную Норвегии Международная федерация футбола (FIFA) не разрешила вратарю «Будё-Глимта» Никите Хайкину выступать за сборную Норвегии. Об этом сообщает телеканал NR...

16:42, 16 Май Жена популярного телеведущего разрешила ему переспать с голливудской звездой Популярный австралийский телеведущий Ларри Эмдур заявил, что жена разрешила ему переспать с голливудской звездой. Об этом он рассказал в эфире подкас...

17:42, 13 Май Госдума разрешила привлекать армию к защите россиян за рубежом Госдума приняла подготовленный в правительстве закон, который может существенно изменить подход к поддержке граждан страны, оказавшихся в сложной сит...

12:42, 16 Май Microsoft разрешила удалять любые предустановленные приложения в Windows 11 Microsoft обновила политику Windows 11, предоставив ИТ-администраторам возможность гибкого удаления предустановленных приложений из Microsoft Store. ...

16:42, 13 Май Госдума разрешила привлекать армию для защиты арестованных за рубежом россиян Госдума во втором и третьем чтениях приняла закон о праве привлекать вооруженные силы для защиты арестованных за рубежом россиян. Документ опубликова...

21:42, 13 Май Госдума разрешила использовать армию для защиты арестованных за границей россиян Закон приняли сразу в двух чтениях. Он позволит помогать россиянам, которых арестовали или удерживаются по решению иностранных судов, в которых Росси...

13:42, 15 Май Ещё одна олимпийская федерация разрешила российским спортсменам выступать с флагом Объединённый мир борьбы (UWW) стал четвёртой олимпийской федерацией, полностью восстановившей права российских атлетов. Бюро организации приняло реше...

11:42, 20 Мар Нефть из Казахстана прорвала блокаду: Британия разрешила поток через магистрали Транснефти Лондон включил прагматизм, когда пахленая нефть кончилась, а счета за свет стали напоминать номера телефонов. Британский Минфин официально разрешил "...

02:42, 17 Май Пользователи Windows 11 ждали этого годами: Microsoft наконец-то разрешила двигать панель задач Функция, которая стала обыденностью в Windows 10, только сейчас переносится в Windows 11Microsoft вернула в Windows 11 функцию, которую ждали многие:...

15:42, 18 Ноя Apple разрешила запускать сторонние голосовые помощники кнопкой блокировки вместо Siri, но не везде iOS 26.2 приносит одну из самых необычных функций за последние годы. Теперь владельцы iPhone в Японии смогут назначать стороннего голосового помощник...

11:42, 11 Май Такого в истории ещё не было: многие сотрудники OpenAI уже стали мультимиллионерами, компания разрешила продать акции до IPO Бум ИИ начал приносить огромные деньги не только инвесторам и руководству, но и обычным сотрудникамКомпания OpenAI разрешила сотрудникам массово прод...