Новые измерения с использованием водородного лазера позволили уточнить размер протона, что помогает разрешить десятилетний спор в физике элементарных частиц.
Физики из Университета штата Колорадо измерили радиус протона водорода с беспрецедентной точностью, что помогло разрешить десятилетнее расхождение, ставившее под сомнение существование одной из самых фундаментальных частиц в природе.
Группа исследователей определила радиус протона примерно в 0,84 фемтометра, или менее одной квадриллионной доли метра. Этот результат отличается от ранее принятого значения в 0,876 фемтометра и согласуется с более поздними измерениями, которые показали, что радиус протона несколько меньше, чем считали ученые ранее.
Это открытие помогает разрешить так называемую «загадку радиуса протона», давний спор, возникший из-за того, что различные экспериментальные методы давали противоречивые результаты измерений размера протона.
В течение многих лет физики получали одно значение при измерении атомов водорода с помощью электронов. Однако эксперименты с использованием мюонов, более тяжелых аналогов электронов, неизменно указывали на меньший радиус протона. Это несоответствие породило предположения о том, что на результаты могут влиять неизвестные физические явления.
Точность ставит точку в дебатах
Новые измерения говорят об обратном.
По словам исследователей, результат согласуется с предсказаниями Стандартной модели — концепции, описывающей взаимодействие фундаментальных частиц. Исследование также снижает вероятность того, что причиной расхождения была ранее неизвестная сила или частица.
«Наш тест показывает точное соответствие с теорией относительно размера протона с точностью до частей на триллион, что исключает возможность того, что причиной расхождения в данном случае является какая-либо новая сила или частица», — сказал Дилан Йост, доцент кафедры физики Университета штата Колорадо.
«Это существенно изменило бы Стандартную модель, и именно этого искали исследователи», — добавил он.
Для проведения измерений исследователи создали пучок атомарного водорода внутри вакуумной камеры и использовали ультрафиолетовые лазеры для возбуждения электронов между различными энергетическими уровнями. Поскольку размер протона незначительно влияет на поведение электронов вокруг ядра, команда смогла определить радиус протона, точно измерив эти энергетические переходы.
Этот эксперимент также послужил проверкой квантовой электродинамики — теории, описывающей взаимодействие света и материи.
Новый лазерный метод
Одной из самых больших проблем было получение точных измерений от быстро движущихся атомов водорода, которые взаимодействуют с лазерным светом лишь в течение короткого периода времени.
Для преодоления этого ограничения команда разработала новую методику, использующую два лазерных поля одновременно.
«Эти атомы движутся очень быстро и недолго взаимодействуют с лазером, что может заглушить сигналы, которые мы ищем», — сказал Райан Буллис, аспирант и ведущий автор исследования.
«Мы разработали новую методику, использующую два лазерных поля одновременно, что позволяет повысить точность измерений».
Результат был независимо подтвержден группой исследователей из Института Макса Планка с использованием другого метода измерения, что еще больше укрепило уверенность в пересмотренном размере протона.
Исследователи заявляют, что разработанные в ходе проекта лазерные методы теперь будут применяться к более сложным формам водорода, включая дейтерий, для изучения других аспектов атомной физики.
Йост отметил, что эта работа демонстрирует, как высокоточные настольные эксперименты могут дополнять крупные установки, такие как ускорители частиц, в поисках новых физических явлений и более глубокой проверке существующих теорий.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Sourse: interestingengineering.com
Tam da bu konuyu araştırırken denk gelmem harika oldu, elinize sağlık.