Civilizacijo kartais stumia pirmyn ne didžiuliai teleskopai ar kolosalūs greitintuvai, o skaičiai tokie maži, kad beveik skamba kaip pokštas. Šįkart istorijos centre – protonas ir jo krūvinis spindulys, neretai laisvai vadinamas protono pločiu ar dydžiu. Tai parametras, kuris lemia, kaip tiksliai išsidėsto energijos lygiai vandenilio atome.
O vandenilis, paprasčiausias įmanomas atomas, fizikai yra tarsi idealus laboratorinis modelis: jei kur nors teorijoje turi atsirasti menkiausias plyšys, jis pirmiausia išlįs būtent tokiose sistemose, kurias galima apskaičiuoti su ekstremaliu tikslumu.
Naujas rezultatas svarbus tuo, kad išvalė dalį „triukšmo“ iš duomenų ir apsunkino gyvenimą visiems bandymams aiškinti ankstesnius neatitikimus kaip naujos fizikos signalą. Kuo geriau žinome protono spindulį, tuo griežtesni tampa QED, t. y. kvantinės elektrodinamikos – vieno iš Standartinio modelio pamatų – testai.
Kaip apskritai atsiranda protono spindulys 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. Šokdamas tarp šių lygių jis sugeria arba išspinduliuoja šviesą labai tikslios dažnio vertės. Ir čia slypi esminė detalė: šie dažniai priklauso ne tik nuo „grynosios“ teorijos, bet ir nuo to, kaip tiksliai protons paskirsto 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.
Dėl to protono spindulį galima išgauti iš itin tikslių vandenilio spektroskopijos matavimų. Bėda tik ta, kad daugelį metų skirtingi metodai duodavo šiek tiek skirtingas vertes – skirtumai atrodė maži, bet fizikoje aukšto tikslumo srityje tai išaugo iki garsios „protono spindulio mįslės“. Jei nori testuoti teoriją ant galimybių ribos, net ir nedidelis vieno parametro neapibrėžtumas tampa tarsi smiltys atominiame laikrodyje: viskas dar sukasi, bet jau nebe idealiai.
Aprašytame eksperimente fizikai patikrino perėjimą vandenilio atome, kurio iki šiol niekas nebuvo išmatavęs su tokia tikslumo riba – iš 2S į 6P būseną. Šis pasirinkimas svarbus dėl dviejų priežasčių. Pirma, 2S būsena yra neįprastai ilgai gyvuojanti kaip sužadinta būsena, tad ji suteikia labai stabilų atskaitos tašką aukšto tikslumo matavimams. Antra, toks naujo tipo perėjimas pateikia nepriklausomą informaciją, kitokią nei ta, kurią duoda anksčiau įprastai naudotos spektrinės linijos. Taip padedama išnarplioti situacijas, kai skirtingus matavimus veikia tie patys neapibrėžtumų šaltiniai.
Praktiškai tai primena kelių skirtingų metodų naudojimą žemėlapiui pasitikrinti. Jei visi jie rodo tą pačią vietą, didėja tikimybė, kad rezultatas yra teisingas, o ne atsitiktinė konkretaus metodo klaida. Būtent tokį efektą ir suteikia šis darbas: tai dar vienas labai tvirtas atraminis taškas, kuris, suderintas su ankstesniais duomenimis, smarkiai sumažina erdvę skirtingoms, tarpusavyje nesuderinamoms interpretacijoms.
Rekordiniai skaičiai: dažnis, pataikytas beveik idealiai
Tyrėjų grupė išmatavo fotono dažnį 2S–6P perėjimui: 730 690 248 610,79 kHz su 0,48 kHz neapibrėžtimi. Skaičiai gali atrodyti nerealiai dideli, 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, kurioje teorinis neapibrėžtumas siekia vos 0,23 kHz.
Remiantis išmatuotu dažniu, apskaičiuotas protono krūvinis spindulys: 0,8406 fm su 0,0015 fm neapibrėžtimi (1 femtometras – tai 10−15 metro). Tai maždaug 2,5 karto tiksliau nei ankstesnės vertės, gautos iš perėjimų įprastame vandenilyje.
Dar svarbiau tai, kad šis rezultatas palaiko „mažesnio“ protono spindulį, anksčiau gautą iš kitų vandenilio matavimų, ir gerai sutampa su itin preciziškais vandenilio mioninio spektroskopijos rodmenimis. Taip pamažu užverčiamas daug metų trukusios duomenų painiavos puslapis.
Ką tai reiškia Standartiniam modeliui ir kur čia dar lieka vietos naujiems atradimams? Atliktas tyrimas leidžia išbandyti Standartinį modelį maždaug 0,7 dalies iš trilijono tikslumu, o su sujungtų būsenų QED pataisomis susiję skaičiavimai toje srityje tikrinami dar griežčiau.
Tai nereiškia, kad „naujos fizikos nėra“. Tai reiškia, kad jei ji egzistuoja, ji negali pasireikšti kaip stambus, lengvai pastebimas nuokrypis būtent šioje vietoje. Naujos teorijos turi „slėptis“ dar siauresniuose paklaidų rėžiuose. Tai stumia paieškas į dar sudėtingesnių eksperimentų sritį – sudėtingesnius atominius darinius, kitokias energijų sritis arba labai 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 bei tarpusavio koreliacijos neužmaskuotų galimų nuokrypių.
Tokių darbų rezultatai tampa degalais ir skaičiavimo metodų QED srityje tobulėjimui: kuo tiksliau matuojame, tuo labiau privalome 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 tokiose vietose, kur iki šiol tiesiog nežiūrėjome pakankamai įdėmiai.
