Nowy wynik jest o tyle ważny, że usuwa część szumu z danych i utrudnia życie wszystkim pomysłom, które próbowały tłumaczyć wcześniejsze rozjazdy jako sygnał nowej fizyki. Im lepiej znamy promień protonu, tym ostrzejsze stają się testy QED, czyli elektrodynamiki kwantowej, jednego z filarów Modelu Standardowego.
Skąd w ogóle bierze się promień protonu w atomie wodoru?
Elektron w atomie nie krąży jak planeta. Opisuje go funkcja falowa, a energia, jaką może mieć, przyjmuje tylko określone wartości. Gdy elektron przeskakuje między poziomami, emituje lub pochłania światło o bardzo konkretnej częstotliwości. I tu jest haczyk: te częstotliwości zależą nie tylko od „czystej” teorii, ale też od tego, jak rozłożony jest ładunek w protonie. Proton nie jest punktem, ma strukturę, a jego skończony rozmiar wprowadza drobne przesunięcia energii.
Właśnie dlatego pomiar promienia protonu da się wyciągnąć z niezwykle precyzyjnej spektroskopii wodoru. Problem w tym, że przez lata różne metody dawały wartości lekko rozjeżdżające się, co z czasem urosło do rangi słynnej zagadki promienia protonu. Kiedy chcesz testować teorię na granicy możliwości, nawet drobna niepewność jednego parametru robi się jak ziarnko piasku w mechanizmie zegarka atomowego.
W opisywanym eksperymencie fizycy wzięli na warsztat przejście w atomie wodoru, które wcześniej nie było mierzone z taką dokładnością: z poziomu 2S do 6P. To ważny wybór z dwóch powodów. Po pierwsze, stan 2S jest wyjątkowo długowieczny jak na stan wzbudzony, co daje stabilny punkt startu do pomiarów wysokiej precyzji. Po drugie, nowy typ przejścia wnosi niezależną informację, inną niż wcześniejsze, klasycznie wykorzystywane linie widmowe. To pomaga rozplątywać sytuacje, w których różne pomiary są skorelowane tymi samymi źródłami niepewności.
W praktyce to trochę jak sprawdzanie mapy kilkoma różnymi metodami. Jeśli wszystkie pokazują to samo, rośnie zaufanie, że wynik jest prawdziwy, a nie jest produktem ubocznym metody pomiaru. I właśnie taki efekt daje ta praca: to kolejny, bardzo twardy punkt, który spinając się z wcześniejszymi danymi, ogranicza pole manewru dla rozbieżnych interpretacji.
Rekord w liczbach: częstotliwość trafiona niemal idealnie
Zespół zmierzył częstotliwość fotonu dla przejścia 2S–6P jako 730 690 248 610.79 kHz z niepewnością 0.48 kHz. To nie jest literówka: w tej skali niepewność jest absurdalnie mała. Co jeszcze ciekawsze, wynik idealnie zgadza się z przewidywaniem Modelu Standardowego dla tego przejścia, które ma teoretyczną niepewność 0.23 kHz.
Z tej częstotliwości wyciągnięto promień ładunkowy protonu 0.8406 fm z niepewnością 0.0015 fm, czyli około 2.5 razy precyzyjniej niż wcześniejsze wartości uzyskiwane z przejść energetycznych w zwykłym wodorze. Co kluczowe, wynik wspiera „mniejszy” promień z wcześniejszych pomiarów wodorowych i jest zgodny z bardzo precyzyjnymi wskazaniami ze spektroskopii wodoru mionowego, co pomaga domknąć wieloletni bałagan w danych.
Co to robi Modelowi Standardowemu i gdzie tu miejsce na nowe odkrycia? Badanie opisuje test Modelu Standardowego na poziomie około 0.7 części na bilion, a poprawki QED dla stanów związanych testowane są z jeszcze ostrzejszą dokładnością w swojej kategorii.
To wcale nie oznacza, że nowa fizyka „nie istnieje”. Oznacza, że jeśli jest, to nie może objawiać się w prosty sposób jako duży, łatwy do wykrycia odchył w tym konkretnym miejscu. Musi chować się w jeszcze ciaśniejszych marginesach, a to przesuwa poszukiwania w stronę jeszcze bardziej wyrafinowanych eksperymentów, innych układów atomowych, albo efektów, które ujawniają się dopiero przy innych energiach.
Jeszcze ostrzejsze testy i jeszcze trudniejsze układy
Naturalny następny krok to poszerzanie palety przejść w wodorze i podobnych prostych układach oraz łączenie wyników tak, by niepewności i korelacje nie maskowały ewentualnych odchyleń. Tego typu prace są też paliwem dla rozwoju metod obliczeniowych w QED, bo im lepiej mierzymy, tym bardziej musimy ufać temu, co liczymy, i odwrotnie.
W tle zostaje też większa stawka: jeśli Model Standardowy jest tak odporny w „niskich energiach”, to sygnał nowej fizyki może ujawniać się subtelnie, na styku kilku dziedzin naraz, albo w miejscach, gdzie dotąd nie patrzyliśmy wystarczająco dokładnie.