RSS лента

Анечка хорошая

Как «загадка радиуса протона» поставила под сомнение «бесконечную точность»квантовой2

Оценить эту запись
Страсть к точности (ПРОДОЛЖЕНИЕ)

Пока теоретики высчитывали новые диаграммы, инженеры и экспериментаторы не сидели, сложа руки, и улучшали спектроскопическую технику. Существенной вехой на данном поприще стало появление технологии оптических частотных гребенок, что привело к настоящей революции в измерении частоты света. Так, к началу XXI века точность спектроскопических измерений достигла 14-го знака после запятой. А совсем недавно стало известно о создании лазера с рекордно узкой шириной спектральной линии, составляющей около 10-17 от своей несущей частоты.
И если соревнование теории и эксперимента можно назвать «войной», то «полями битвы» для этой войны стали физические константы. Причем устроено это следующим образом. В ходе эксперимента измеряется какая-то физическая величина, например частота света, с некоторой точностью. Задача теории — предложить формулу, которая бы давала такой же, фактически уже известный, ответ. При этом формула может строиться в виде математических комбинаций нескольких фундаментальных констант. Таким образом, получается уравнение, где в роли неизвестных выступают эти самые константы. Очевидно, что если констант больше одной, то необходимо несколько экспериментов и, соответственно, несколько формул с теми же константами. Уравнений должно быть не меньше, чем число неизвестных, а как можно больше. При этом погрешности эксперимента трансформируются в погрешности определения констант по четким математическим принципам.
Точность эксперимента при этом играет центральную роль. Если погрешность измерения слишком велика, теоретикам достаточно предлагать простые формулы, чтобы находилось решение системы уравнений: излишняя теоретическая точность просто утонет в большой экспериментальной погрешности. Но когда погрешность измерения уменьшается ниже определенного порога, система таких уравнений перестает иметь решение. Это означает, что теоретикам нужно как-то достроить свои формулы, чтобы решение снова вернулось. Для КЭД такими надстройками являлись диаграммы с бо́льшим, чем на предыдущем шаге, числом узлов.
Таким образом, вычисление и измерение мировых констант является надежным критерием того, верна или не верна теория. Кроме того, их уточнение может подтолкнуть прогресс в смежных областях. Например, точное значение радиуса протона может быть полезно для квантовой хромодинамики — науки, изучающей взаимодействие кварков. Наконец, растущая точность в измерении констант позволила вплотную подступиться к проверке гипотезы о том, что фундаментальные постоянные меняются со временем.
Помимо задач, связанных с проверкой КЭД, рекордная точность важна и для других областей науки и техники. Так, технология оптических гребенок позволила обновить метрологические стандарты времени и частоты, сделав работу атомных часов еще более точной, а, следовательно, сделав точнее и системы спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС и другие). Другим приложением этой технологии является возможность создания очень коротких лазерных импульсов. Благодаря сжатию энергии одного импульса всего лишь в несколько аттосекунд (10−18 секунд) удается достичь очень больших мощностей на пике, что открывает новые возможности при исследовании взаимодействия света с веществом. Наконец, недавнее обнаружение гравитационных волн также обязано своим успехом высокой точности при детектировании оптических сигналов.



Схема, иллюстрирующая основную идею атомной спектроскопии: 1 — источник излучения; 2 — коллиматорная система; 3 — камера с атомизированным веществом; 4 — детектор. Источник нужен для того, чтобы осуществлять манипуляции с электронной структурой атома. В ряде случаев для таких манипуляций вместо света может быть использовано другое воздействие, например электрический ток.Так о каких же экспериментах идет речь в случае измерения радиуса протона? В основном это эксперименты с частицами — главными участниками электромагнитного взаимодействия: протонами и электронами. В одном классе опытов рассматривается рассеяние свободных электронов на протонах и измеряется их угловое распределение после взаимодействия. В другом классе исследуются атомы — связанные состояния электрона и ядра, которое в самом простом случае является просто протоном (атом водорода). Атомы изучают методами оптической спектроскопии, той самой, что позволила обнаружить серию Бальмера.



Схема, иллюстрирующая основную идею электрон-протонного рассеяния: 1 — сколлимированный пучок электронов, создаваемый, как правило, на ускорителе; 2 — камера-мишень, содержащая газообразный водород; 3 — подвижный детектор.Во всех случаях подход теоретиков к интерпретации эксперимента одинаков: при выводе измеряемой величины используются формулы для точечного протона, а затем к ним добавляют поправку на конечный размер. В случае атомной спектроскопии, например, получается три члена: первый — квантовомеханический (описывает бальмеровскую и тонкую структуры), второй — квантовоэлектродинамический (разнообразные диаграммы Фейнмана) и третий — собственно поправка на размер ядра. При этом неизвестными, по сути, остаются всего две константы: постоянная Ридберга и радиус протона. Преимуществом экспериментов с атомами заключается в том, что в спектре атома содержится большое количество частот, которые можно измерять, а каждая частота — это фактически отдельный эксперимент.
Благодаря развитию оптической техники к началу XXI века имелась уже достаточно большая выборка высокоточных спектроскопических данных, на основании которой было получено значение радиуса протона, равное 0,8802 ± 0,0080 фемтометра (1 фемтометр = 10−15метра). Комбинирование этого значения со значением, полученным из рассеяния электронов, дало величину 0,8775 ± 0,0051 фемтометра, которая и была признана Комитетом по данным для науки и техники при Международном совете по науке (CODATA) в качестве константы.
Вместе с тем, еще 50 лет назад было отмечено,что можно улучшить точность измерения зарядового радиуса протона, если в атоме водорода электрон заменить мюоном. Про мюон на сегодняшний день известно, что он ничем не отличается от электрона, кроме того, что его масса в 207 раз больше, а сам он нестабилен и через какое-то время распадается. Бо́льшая масса означает, что он и к ядру будет находиться ближе в 207 раз. А раз так, то относительный вклад в энергию состояния от конечности размера ядра (та самая третья поправка) у мюонного атома будет гораздо больше, чем у обыкновенного.
Примерная схема эксперимента с мюонными атомами состоит из нескольких частей. В самом начале используется ускоритель, одним из продуктов которого являются мюонные пучки. Затем мюоны нужно как-либо доставить в резонаторную камеру, содержащую молекулярный водород при низком давлении и температуре. Попав в камеру, мюоны вытесняют электроны с образованием возбужденных мюонных атомов. Все дальнейшие манипуляции с такими атомами выполняются так же, как и с обычными, с той лишь разницей, что частоты всех излучений теперь в 207 раз больше.
До недавнего времени не удавалось приспособить эту схему для измерения радиуса протона. Причина этого была в том, что с экзотичными мюонными пучками достаточно тяжело работать, поскольку они нестабильны и их нужно постоянно отделять от электронов. Кроме того, погрешность спектроскопических измерений оставляла желать лучшего. Первыми справиться с указанными трудностями удалось ученым из Института имени Пауля Шеррера, расположенном в Швейцарии, под эгидой проекта CREMA (Charge Radius Experiment with Muonic Atoms).
Три недели до дедлайна

Итак, поскольку перед физиками из CREMA стояла задача по уточнению известного значения, они имели представление, в каком диапазоне им предстоит искать резонанс. Это диапазон является определяющим при конструировании экспериментальной установки, которая в данном случае достаточно сложна и включает в себя ускоритель частиц, вакуумную рабочую камеру, а также достаточно громоздкую оптическую систему с несколькими лазерами. Поэтому несложно представить озадаченность экспериментаторов после того, как, перенастраивая лазер, они прошли весь диапазон, но так и не встретили резонанс между излучением и заданным переходом в мюонном водороде.
Следующим их шагом была перестройка экспериментальной установки на соседний диапазон частот, что потребовало определенного времени и ресурсов. Однако и в новом диапазоне резонанс так и не был найден. Таким образом, постоянно меня свою установку, физики все дальше удалялись от исходной частоты, тратя на это годы и средства грантов.
Через десять лет поисков руководством проекта был поставлен перед экспериментаторами «красный дедлайн» — срок, после которого проект закрывается без достигнутых результатов. Вся работа при этом была бы задокументирована и заархивирована, а проект был бы признан провалившимся, что, безусловно, имело бы существенные последствия для карьеры людей, в нем участвовавших. Сложно представить, какую силу духа нужно иметь, чтобы продолжать поиск без гарантий результата, особенно после того, как прозвучало последнее предупреждение. Тем сложнее представить радость, которую испытала группа, когда за три недели до дедлайна наконец-то обнаружила вожделенный резонанс. Находка соответствовала радиусу протона, равному 0,84184 ± 0,00067 фемтометра. Доктор Альдо Антоньини, один из участников коллаборации, сравнил ситуацию с сюжетом голливудского фильма, где все идет плохо, но за пять минут до конца герои добиваются успеха.



График, показывающий наличие резонанса на частоте 49 881,88 гигагерца. По оси ординат отложена величина, определяющая фактически число зарегистрированных актов поглощения мюонным водородом излучения от возбуждающего лазера. R. Pohl et al. / Nature, 2010Так почему же физики были настолько ошарашены этим результатом? Причина заключается в уже упомянутой гонке за точностью. С момента своего создания КЭД верой и правдой служила человечеству, раз за разом доказывая свою предсказательную силу в соревновании с экспериментами. На сегодняшний день КЭД считается самой точной теорией в мире — ее предсказания подтверждаются до десятого знака после запятой. Такая безупречная служба неизбежно привела к устойчивому ощущению, что мир устроен именно так, как описывает его эта теория, поэтому всю электромагнитную феноменологию в принципе можно описать с бесконечной точностью. Эксперимент на мюонном водороде никак не вписывается в это ощущение.
Теоретики признаются: в КЭД нет места поправкам, которые могли бы дать такой результат, даже не смотря на то, что электрон заменяется мюоном. Это означало бы конец эпохи «бесконечной точности», которую обещает общепризнанная ныне квантовая теория электромагнетизма. По этой причине теоретики с большим скепсисом восприняли аннотацию к докладу на конференции в Лез-Уш, а сам доклад был поставлен в достаточно неудобное время: вечером после ужина. Несмотря на это зал был полон до отказа, а по завершению доклада началась бурная дискуссия на повышенных тонах.
На угрозу безукоризненности КЭД обратил внимание один из редакторов журнала Nature Джефф Флауэрс, который в том же номере, в котором вышла статья коллаборации CREMA, написал колонку с ироничным названием «Квантовая электродинамика. Щель в доспехах?», использовав знаменитую англоязычную идиому, обозначающую уязвимость чего-то, что обычно устойчиво к проверке на прочность. Он же заметил, что если эксперименты по сверхточной спектроскопии мюонного водорода верны, то именно в них, а не в гигантских коллайдерах, может обнаружиться выход за рамки Стандартной модели.
Разумеется, причиной расхождения могли бы стать и ошибки экспериментаторов, несмотря на то, что во время эксперимента опорные калибровочные резонансы находились ровно там, где им и положено было быть. Однако два более поздних эксперимента коллаборации CREMA подтвердили: с экспериментом все нормально, что-то не так с теорией. Первый был проведен в 2013 году и заключался в том, что вместо одного перехода в мюонном водороде изучались сразу три. Точность определения радиуса протона при этом выросла почти в два раза, а само значение еще больше отдалилось от значения, рекомендованного CODATA, и составило уже 0,84087 ± 0,00039 фемтометра.
Второй эксперимент был проведен той же группой, но уже на мюонном дейтерии — системе, состоящей из протона и нейтрона, объединенных в дейтронное ядро, и мюона. Дейтерий также долгое время исследовался различными методами, и, как и в случае мюонного водорода, новые результаты по измерению зарядового размера дейтерия с помощью методов оптической спектроскопии показали расхождение со старыми. Статья с результатами эксперимента была опубликована в журнале Science в 2016 году, а N +1 уже освещал данную новость.
В ожидании революции

Исследователи, разумеется, не останавливаются на достигнутом, поскольку всем очевидно, что новая страница в истории изучения мюонов и мюонных систем только началась. Так, например, планируется изучить рассеяние мюонов на протонах (подобно тому, как это делалось с электронами). Кроме того, продолжаются спектроскопические эксперименты и с другими ядрами, в частности с мюонным гелием. Фактически, загадка радиуса протона постепенно перестает быть загадкой только лишь протона.
На сегодняшний день зафиксировано более сотни попыток разрешить эту загадку, но ни одна из них не получила общепринятого одобрения физического сообщества. Семь лет — это достаточно большой срок для области в физики, которая еще недавно была образцом триумфа теоретической мысли. Хорошо это или плохо? Разумеется, это хорошо. Ведь физика всегда развивалась тогда, когда перед ней ставились подобные загадки.
Любопытно, что между открытием закона для серии Бальмера, подарившего нам квантовую механику, и открытием лэмбовского сдвига, подарившего нам квантовую электродинамику, прошло немногим больше 60 лет. И примерно столько же лет прошло между открытием лэмбовского сдвига и возникновением загадки радиуса протона. Совпадение? Возможно. Но приятно думать, что мы, возможно, живем на пороге новой революции в квантовой физике.
Марат Хамадеев

Литература
По основам атомной физики, таким, как серия Бальмера или атомная модель Бора, можно достаточно полно почитать практически в любом хорошем учебнике из общего курса. Например, «Атомная физика» Матвеева или учебник Сивухина с одноименным названием.
Тому, кто интересуется квантовой механикой с самых основ и хочет больше понять про то, что там за гильбертовы пространства и постулаты, я бы рекомендовал «Принципы квантовой механики» Дирака. Книга хорошо подходит для тех, кто любит строгость и порядок в голове.
Про квантовую электродинамику никто пока не смог написать легче и непринужденнее, чем один из ее создателей, Ричард Фейнман, в своей научно-популярной книге «КЭД: странная теория света и вещества».
Интересующимся темой оптических гребенок, да и вообще эволюции точных измерений в физике, настоятельно рекомендуется прочитать перевод на русский нобелевской лекции Теодора Хэнша.
Ну и, конечно же, не могу не порекомендовать замечательный русскоязычный обзор загадки радиуса протона 2016 года, опубликованный Игорем Ивановым на «Элементах». В его статье гораздо больше технических деталей, нежели в моей, поэтому он отлично подойдет в качестве отправной точки для тех, кто хочет углубиться в детали.

Категории
Без категории

Комментарии