Протон измерили с точностью часовщика экспресс
Водород — самый простой атом: один протон и один электрон. Казалось бы, что тут изучать? Но именно на нём физики проверяют самые тонкие законы микромира. Электрон в атоме может находиться на разных энергетических уровнях, как на ступеньках лестницы. Чтобы перепрыгнуть на ступеньку выше, он должен поглотить свет строго определённой частоты — как ключ подходит только к своему замку.
Авторы новой работы охладили пучок атомов водорода до криогенных температур — почти до абсолютного нуля. В таком холоде атомы движутся медленно, и их легче «рассмотреть». Затем на пучок направили лазер и заставили электроны прыгать с уровня 2S на более высокие уровни 8S, 9S и 10S. Частоту света измерили с огромной точностью: ошибка составила всего 2.6×10⁻¹². Если перевести это в бытовые масштабы, то всё равно что измерить расстояние от Земли до Луны с погрешностью в толщину человеческого волоса.
Из этих измерений учёные вычислили две важнейшие величины. Первая — радиус протона: он оказался равен 0.8433 фемтометра (один фемтометр — это миллионная доля миллиардной доли метра). Вторая — частота Ридберга, фундаментальная константа, которая связывает все энергетические уровни в атоме. Оба числа прекрасно совпали с рекомендованными значениями CODATA 2022 — это как если бы два независимых часовщика, работая в разных мастерских, создали часы, которые идут секунда в секунду.
Такой точный «замок» из света и атома не только подтверждает наши знания, но и готовит почву для будущих открытий. Возможно, именно на простейшем атоме удастся заметить первые трещины в Стандартной модели — и тогда лестница энергетических уровней приведёт нас к новой физике.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2604.26401
We present absolute frequency measurements of 2S_{1/2}-nS_{1/2} two-photon transitions with n = 8, 9, and 10 in a cryogenic beam of atomic hydrogen. Each transition has been measured with a fractional uncertainty of approximately 2.6*10^(-12). Combining the results from this work and the 1S_{1/2}-2S_{1/2} transition frequency, we extract a root-mean-square proton radius of r_p = 0.8433(31) fm and a Rydberg frequency of cR_{\infty} = 3,289,841,960,252.9(9.7) kHz. These are in good agreement with the CODATA 2022 recommended values.
Если бы протон увеличить до размера футбольного мяча, то электрон в атоме водорода находился бы на расстоянии около 10 километров от него — настолько атом пуст внутри.
В романе «Солярис» Станислава Лема океан мог манипулировать квантовыми состояниями — возможно, используя переходы, подобные тем, что измеряли в этой работе.