Civilizaciją kartais į priekį pastumia ne milžiniški teleskopai ar kolosalūs dalelių greitintuvai, o skaičiai tokie maži, kad beveik skamba kaip pokštas. Šįkart istorijos centre – protonas ir jo krūvinis spindulys, neretai paprastai vadinamas protono „pločiu“ ar „dydžiu“. Tai parametras, nuo kurio priklauso, kaip tiksliai išsidėsto energijos lygiai vandenilio atome.
Vandenilis – paprasčiausias įmanomas atomas – fizikams yra tarsi idealus laboratorinis modelis: jei teorijoje kur nors turi atsirasti menkiausias plyšys, jis dažniausiai pirmiausia išryškėja būtent tokiose sistemose, kurias galima apskaičiuoti itin tiksliai.
Naujas rezultatas svarbus tuo, kad iš duomenų pašalino dalį „triukšmo“ ir gerokai apsunkino bandymus ankstesnius neatitikimus aiškinti kaip naujos fizikos signalą. Kuo tiksliau žinome protono spindulį, tuo griežtesni tampa QED, t. y. kvantinės elektrodinamikos – vieno iš Standartinio modelio pamatų – testai.
Kaip apskritai protono spindulys „atsiranda“ vandenilio atome?
Elektronas atome neskraido aplink branduolį kaip planeta. Jį apibūdina banginė funkcija, o galimos energijos reikšmės yra diskrečios – elektronas gali būti tik tam tikruose lygmenyse. Pereidamas tarp šių lygių jis sugeria arba išspinduliuoja šviesą itin tikslaus dažnio. Čia slypi esminė detalė: šie dažniai priklauso ne tik nuo „grynosios“ teorijos, bet ir nuo to, kaip tiksliai protonas pasiskirsto savo elektrinį krūvį.
Protonas nėra matematinis taškas – jis turi vidinę struktūrą ir baigtinį dydį. Būtent šis galutinis protono „storis“ įveda labai mažus, bet išmatuojamus energijos lygių poslinkius.
Todėl protono spindulį galima nustatyti iš itin tikslių vandenilio spektroskopijos matavimų. Problema ta, kad daugelį metų skirtingi metodai duodavo šiek tiek skirtingas vertes: skirtumai atrodė maži, tačiau didelio tikslumo fizikoje jie išaugo į vadinamąją „protono spindulio mįslę“. Kai teorija testuojama ant galimybių ribos, net ir menkas vieno parametro neapibrėžtumas tampa tarsi smiltys atominiame laikrodyje: viskas dar veikia, bet jau nebe idealiai.
Aprašytame eksperimente fizikai išmatavo vandenilio atomo perėjimą, kuris iki šiol nebuvo nustatytas su tokia griežta tikslumo riba – perėjimą iš 2S į 6P būseną. Šis pasirinkimas svarbus dėl dviejų priežasčių. Pirma, 2S būsena yra neįprastai ilgai gyvuojanti sužadinta būsena, todėl suteikia labai stabilų atskaitos tašką aukšto tikslumo matavimams. Antra, toks perėjimas pateikia nepriklausomą informaciją, kitokią nei ta, kurią suteikia anksčiau dažniausiai naudotos spektrinės linijos. Tai padeda išnarplioti situacijas, kai skirtingus matavimus veikia tie patys neapibrėžtumų šaltiniai.
Praktiškai tai primena kelių skirtingų būdų naudojimą žemėlapiui pasitikrinti. Jei visi metodai rodo tą pačią vietą, didėja tikimybė, kad rezultatas teisingas, o ne konkretaus metodo klaida. Būtent tokį efektą ir suteikia šis darbas: tai dar vienas tvirtas atraminis taškas, kuris, derinamas su ankstesniais duomenimis, smarkiai sumažina erdvę tarpusavyje nesuderinamoms interpretacijoms.
Rekordiniai skaičiai: dažnis, pataikytas beveik idealiai
Tyrėjų grupė išmatavo fotono dažnį 2S–6P perėjimui: 730 690 248 610,79 kHz, o neapibrėžtis siekė 0,48 kHz. Skaičiai gali atrodyti sunkiai suvokiami, tačiau būtent šioje skalėje „vos“ 0,48 kHz paklaida yra stulbinamai maža.
Dar įdomiau, kad rezultatas praktiškai idealiai sutampa su Standartinio modelio prognoze šiam perėjimui, kurios teorinis neapibrėžtumas tėra 0,23 kHz.
Remiantis išmatuotu dažniu, apskaičiuotas protono krūvinis spindulys yra 0,8406 fm su 0,0015 fm neapibrėžtimi (1 femtometras – 10−15 metro). Tai maždaug 2,5 karto tiksliau nei ankstesnės vertės, gautos iš įprastame vandenilyje matuotų perėjimų.
Svarbiausia, kad šis rezultatas palaiko „mažesnio“ protono spindulio vertę, anksčiau gautą iš kitų vandenilio matavimų, ir gerai sutampa su itin preciziškais mioninio vandenilio spektroskopijos duomenimis. Taip pamažu užverčiamas daug metų trukusios duomenų painiavos puslapis.
Ką tai reiškia Standartiniam modeliui ir kiek dar lieka vietos naujiems atradimams? Šis tyrimas leidžia tikrinti Standartinį modelį maždaug 0,7 dalies iš trilijono tikslumu, o su surištųjų būsenų QED pataisomis susiję skaičiavimai šiame režime patikrinami dar griežčiau.
Vis dėlto tai nereiškia, kad „naujos fizikos nėra“. Tai reiškia, kad jeigu ji egzistuoja, ji negali pasireikšti kaip ryškus, lengvai pastebimas nuokrypis būtent šioje vietoje. Naujos teorijos turi „slėptis“ dar siauresniuose paklaidų rėžiuose, o tai stumia paieškas į sudėtingesnių eksperimentų sritį: sudėtingesnes atomines sistemas, kitas energijų sritis arba itin subtilius efektus.
Dar griežtesni testai ir dar sudėtingesni iššūkiai
Natūralus kitas žingsnis – plėsti tiriamų perėjimų spektrą vandenilyje ir panašiose paprastose sistemose, o duomenis jungti taip, kad bendri neapibrėžtumai ir tarpusavio koreliacijos neužmaskuotų galimų nuokrypių.
Tokių darbų rezultatai tampa impulsu tobulinti ir QED skaičiavimo metodus: kuo tiksliau matuojame, tuo tvirčiau turime pasitikėti savo skaičiavimais – ir atvirkščiai. Fone išlieka ir didesnė intriga: jei Standartinis modelis taip tvirtai laikosi „žemų energijų“ srityje, naujos fizikos signalas gali pasirodyti labai subtiliai – kelių sričių sandūroje arba ten, kur iki šiol tiesiog nežiūrėjome pakankamai įdėmiai.
