Российский Квантовый Центр Russian Quantum Center

News / Новости

Физики снова заставили протон «похудеть»Shrinking the proton again!


2017-10-05

Новые высокоточные измерения радиуса протона, проведенные учеными из Российского квантового центра, германского Института квантовой оптики и ФИАНа, вновь подтвердили, что радиус протона действительно на 4% меньше, чем считалось раньше, и это расхождение не связано со способом измерения.

Результаты исследования, проведенного лауреатом Нобелевской премии Теодором Хэншем, директором ФИАНа и руководителем совместной лаборатории РКЦ и ФИАНа Николаем Колачевским, Ксенией Хабаровой из РКЦ и их коллегами, были опубликованы в журнале Science.

Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, и самый простой из всех атомов - атом водорода, имеет только один протон в ядре. Радиус протона очень мал, около 1 фемтометра (это одна тысячная триллионной доли метра). При этом он меньше атома в 60 тысяч раз. Много усилий было потрачено на то, чтобы максимально точно определить размер протона, поскольку от этого зависят важнейшие физические константы, например, постоянная Ридберга.

У элементарных частиц, как и у атомов, нет границ, а значит и размеров в обыденном смысле слова – законы квантовой механики не позволяют точно их локализовать. Поэтому физики измеряют так называемый зарядовый радиус протона – его обстреливают отрицательно заряженными электронами, измеряют отклонения траекторий, и определяют границы сферы, где электроны «почувствовали» положительный заряд протона.

Еще один метод измерения – косвенный – основан на спектроскопии атомов водорода. Ученые с высокой точностью измеряют спектральные линии, связанные с переходом электронов с одного энергетического уровня на другой (такие переходы всякий раз сопровождаются поглощением или испусканием фотона определенной длины волны).

Среднее значение по всем методам измерений – 0,8768 фемтометра – было внесено в международный справочник констант CODATA. Но в 2010 году новый эксперимент заставил пересмотреть эту цифру и породил «загадку радиуса протона»: в швейцарском Институте Пауля Шеррера ученые измерили энергетический переход (сдвиг Лэмба) в мюонном водороде – атоме, где электрон заменен на мюон, отрицательно заряженную частицу, которая тяжелее электрона в 200 раз. Такой мюонный атом значительно меньше обычного атома водорода, и тяжелый мюон значительно лучше «чувствует» протон. Радиус протона, полученный в этом эксперименте, оказался равен 0,842 фемтометра, что на 5 стандартных отклонений отличалось от общепринятого значения.

Теоретики предприняли серию попыток объяснить это расхождения. Говорили, что это проявление еще не открытой квантовой гравитации, влияние дополнительных «компактифицированных» измерений, признаки «новой физики» за пределами Стандартной модели.

Эксперимент Хэнша, Колачевского и их коллег ставит точку в этих спекуляциях – ученые с высокой точностью измерили линии спектра обычного водорода и получили практически такое же значение радиуса протона, что и в эксперименте с мюонным водородом.

В ходе эксперимента ученые возбуждали холодные атомы водорода (5,8 кельвина) с помощью лазера с длиной волны 486 нанометров и измеряли флюоресценцию, возникающую, когда атомы возвращались в «спокойное» состояние и испускали фотоны. Кроме того, исследователи с помощью специальной процедуры исключили возможные квантовые помехи и получили значение в 0,8335 фемтометров.

Это значение отклоняется от значений в CODATA, но почти не отличается от «мюонного». Авторы исследования говорят о необходимости дальнейших измерений: «В конце концов, многие открытия впервые проявили себя в таких расхождениях», - говорит ведущий автор исследования Томас Удем.

It was one of the breakthroughs of the year 2010: Laser spectroscopy of muonic hydrogen resulted in a value for the proton charge radius that was significantly smaller, by four standard deviations, than previous determinations using regular hydrogen. This discrepancy and its origin have attracted much attention in the scientific community, with even extensions of the so-called standard model of physics being discussed. Now, a team of scientists from the Laser Spectroscopy Division of Professor Theodor W. Hänsch at the Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching has made a new spectroscopic measurement of regular hydrogen (Science, 6 October 2017). The resulting values for the Rydberg constant and the proton radius are in excellent agreement with the muonic results (Nature 466, 213 (2010)), but disagree by 3.3 standard deviations with the average of the previous determinations from regular hydrogen.

Hydrogen is the simplest of all chemical elements. According to the model proposed by Niels Bohr in 1913, it consists of a single proton and an electron orbiting around it. The theory of quantum electrodynamics predicts the energy levels of this system with 12 digits of precision. Because of this, hydrogen plays a key role in our understanding of nature. Its study allows the determination of fundamental constants such as the Rydberg constant and the proton charge radius.

Hydrogen is thus the ideal subject for testing the laws of nature. This is why a measurement on muonic hydrogen, resulting in a surprisingly small value for the proton charge radius, made big waves in 2010. In that experiment, done at the Paul Scherrer Institute in Villingen, Switzerland, the electron of the hydrogen atom is replaced with its sister particle, the 200-times heavier and short-lived muon. Laser spectroscopy of this muonic hydrogen resulted in a value of the proton radius that was extremely precise, but four percent smaller than previous measurements on regular hydrogen. “Since the muon is 200-times heavier than the electron, it orbits much closer to the proton and ‘feels’ its size,” explains Prof. Randolf Pohl (now at Johannes Gutenberg-Universität Mainz), a member of the MPQ team. “Because of this, the proton radius has a seven orders of magnitude larger influence on the spectral lines than in regular hydrogen. This allows us to determine the proton radius with such a high precision.”

The large discrepancy between the measurements of regular hydrogen and its exotic cousin has sparked many debates about its origin. “However, some of the previous measurements in fact agree with the muonic value. The influence of the proton radius on the energy levels in regular hydrogen is tiny, and even very high precision measurements struggle to resolve it. The discrepancy only becomes significant when all measurements are averaged,” explains Lothar Maisenbacher, one of the graduate students working on the project. “This is why, to solve this ‘proton radius puzzle’, new individual measurements with high precision, and, if possible, using different experimental approaches are necessary.”

In order to determine both the Rydberg constant and the proton charge radius from spectroscopy of regular hydrogen, two different transition frequencies need to be measured. The by far sharpest resonance, the so-called 1S-2S transition, serves as a corner stone in this determination. Its frequency has been measured, in 2011, to 15 digits by the MPQ team (Phys. Rev. Lett. 107, 203001 (2011)). This high precision was made possible not least by the invention of the frequency comb, for which Professor Hänsch was awarded the Nobel Prize in Physics in 2005. For the second frequency measurement needed, the MPQ team chose the so-called 2S-4P transition, which connects the metastable 2S state with the much shorter lived 4P state.

In the experiment, this transition is excited by a laser with a wavelength of 486 nm and the collected fluorescence from the decay of the 4P state serves as a signal. The apparatus used previously for the 1S-2S measurement serves as a source of atoms in the 2S state. Compared to previous experiments, which used room temperature atoms, the atoms probed here have a substantially lower temperature of 5.8 Kelvin and, consequently, a much lower velocity. This, together with especially developed techniques, strongly suppresses the Doppler shift, which constitutes the largest source of uncertainty for this measurement.

“Another source of uncertainty in this experiment is the so-called quantum interference,” explains Lothar Maisenbacher. “If we could probe a single, isolated transition, the shape of the resulting spectral line would be symmetric. However, in our case there are two other upper states that can be excited by the laser, called 4P1/2 und 4P3/2. This results in a slightly asymmetric shape of the spectral lines, making the determination of the line center more challenging. While this is a very small effect, it plays a big role for us because we determine the line center with such a high precision of almost one part in 10,000 of the line width.”

To describe the influence of the quantum interference, the scientists performed sophisticated numerical simulations, which are in very good agreement with the experimental results. “In our case, however, a specially derived, simple fit function is sufficient to remove the effects of quantum interference,” emphasizes Vitaly Andreev, also a graduate student on the project. “We use this fit function for our data evaluation. In this way, the simulation is only needed for small corrections on the order of 1 kHz.”

With this, the MPQ team managed to determine the frequency of the 2S-4P transition with an uncertainty of 2.3 kHz. This corresponds to a fractional uncertainty of 4 parts in 1012, making this the second-best spectroscopy measurement of hydrogen after the aforementioned 1S-2S transition measurement. Combining these results, the proton size are determined to be 0.8335(95) fm.

“Our measurement is almost as precise as all previous measurements on regular hydrogen combined,” summarizes Prof. Thomas Udem, the project leader. “We are in good agreement with the values from muonic hydrogen, but disagree by 3.3 standard deviations with the hydrogen world data, for both the Rydberg constant and the proton radius. To find the causes of these discrepancies, additional measurements with perhaps even higher precision are needed. After all, one should keep in mind that many new discoveries first showed up as discrepancies.”

Source: MPQ



Lecture Courses | Курсы лекций