Сверхточное измерение энергии диссоциации молекулы водорода дало значение, которое отличается от предсказания теории. Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Определение энергии, необходимой для того, чтобы разорвать связь между атомами в молекуле водорода H₂, является классической задачей в квантовой физике. Ещё в 1920-е годы она была одной из первых задач, на которой проверялась верность только появившейся квантовой механики. С тех пор точность вычислений и измерений этой величины непрерывно растёт.
В свежей статье сообщается о том, что в очередной серии экспериментов точность измерения энергии диссоциации молекулы водорода удалось увеличить ещё на порядок. И полученное значение оказалось отличающимся от того, что предсказывают существующие квантовые расчёты.
Вообще говоря, измерить энергию связи атомов в молекуле не так-то просто. Напрямую, просто разорвав эту связь, это сделать невозможно, поэтому используются многоступенчатые измерения.
Сначала измеряют энергию, которая требуется, чтобы молекулу водорода ионизовать, то есть оторвать у неё один электрон, образовав ион H₂⁺. Затем измеряют энергию, которая требуется, чтобы оторвать от этого иона один водород, так чтобы получился отдельно атом водорода H и ион водорода H⁺. Наконец, на третьем шаге измеряют энергию, которая выделяется при присоединении к иону водорода оторванного ранее электрона, так что он превращается в атом водорода H. Затем первые две величины складывают и вычитают из них третью, что и даёт в итоге энергию диссоциации молекулы водорода.
Наиболее сложным в этой цепочке является измерение на первом шаге. Именно на нём фокусируются усилия экспериментаторов, стремящихся поднять точность измерений.
В обсуждаемой работе, как и в предыдущих, учёные проводили ионизацию молекулы водорода в несколько этапов, суммируя энергию на каждом из них. Отличие от предыдущих работ заключалось в том, как были выбраны эти этапы. Вначале электрон в молекуле возбуждали облучением высокоэнергичным фотоном ультрафиолетового диапазона. А затем его отрывали малоэнергичным фотоном от сверхточного инфракрасного лазера.
В результате удалось достичь точности измерения энергии на уровне 10⁻⁹. Этого оказалось достаточно, чтобы показать, что результат не совпадает с имеющимися теоретическими расчётами.
Расхождение скорее всего вызвано тем, что в расчётах не были учтены слабые эффекты: в первую очередь, релятивистская поправка и взаимодействие с нулевыми колебаниями вакуума. Однако не исключено, что это расхождение потребует привлечения более экзотических теорий, не имеющих пока экспериментального подтверждения: например, одной из теорий тёмного вещества.
Отмечу также, что дальнейшее увеличение точности измерений позволит в перспективе провести измерение радиуса протона, который также оказывает слабое влияние на энергию электронов в атомах и молекулах.
