Главная Новости Ученые: измерить точный радиус протона мы пока не можем

Загадка радиуса протона

Та же группа физиков-экспериментаторов, которая обнаружила значимые расхождения в измерении размера протона, обнаружила, что аналогичная картина наблюдается и в отношении частицы, называемой дейтроном.

Новое открытие, опубликованное в журнале Science, увеличивает вероятность того, что в нашем понимании атомов действительно что-то не так, а не просто «неправильное измерение», пишет Альтернативная наука.

Формально протон - это положительно заряженная частица, которая является частью атомного ядра. Но на самом деле он представляет собой условный шар, составленный из кварков и глюонов. Загадка в том, что он измеряется так, как будто его размеры увеличиваются, когда он вращается вокруг электрона. Чего не происходит во время вращения вокруг мюона, родного брата электрона. Последний в 207 раз тяжелее, но в остальном ему идентичен.

Такое впечатление, что протон затягивает пояс в присутствии мюона. И все же, согласно господствующей теории физики частиц, протон должен взаимодействовать с мюоном и электроном совершенно одинаково.

Как отмечалось в сотнях работ с момента появления загадки радиуса протона в 2010 году, уменьшение радиуса протона в присутствии мюона, скорее всего, означает наличие ранее неизвестной фундаментальной силы - той, которая действует между протонами и мюонами, но не между протонами и электронами.

При этом интересно, что новая физика также не в состоянии объяснить расхождение в измерении аномального магнитного момента мюона.

«Это, конечно, было бы фантастикой, - уверен Рандольф Пауль из Института квантовой оптики имени Макса Планка, который руководил экспериментами 2010 и 2022 годов. - Но наиболее реалистично то, что это не новая физика".

Эволюция представлений о протоне за последние 40 лет

Суровая реальность заключается в том, что радиус протона чрезвычайно трудно измерить, что делает такое измерение регулярно ошибочным.

Особенно трудно в типичном случае, когда протон вращается вокруг электрона, как в обычном атоме водорода.

Многочисленные группы пытались измерить данный параметр на протяжении многих десятилетий; принято считать, что среднее значение радиуса протона составляет чуть меньше 0,88 фемтометра.

Но группа Пауля, стремясь к большей точности, решила измерить радиус протона в "мюонном водороде", поскольку тяжесть мюона позволяет легче определить размер протона.

12 лет спустя ученые опубликовали в журнале Nature значение радиуса протона, которое было намного точнее, чем любое предыдущее измерение с использованием обычного водорода.

Новый показатель - 0,84 фемтометра, ошеломляюще мало для среднего значения.

 

Вопрос в том, были ли все измерения с использованием обычного водорода просто ошибочными - или оказались слишком большими?

Однако тот же Пауль не отрицает, что после каждого измерения показатели резко дрейфуют и зависят от конкретного метода и экспериментальных условий.

Иначе говоря, радиус протона - либо относительная, квантовая величина, либо мы не понимаем, как провести измерение.

Отсюда вытекает другой феномен, когда измеренные значения констант могут резко меняться, прежде чем сойдутся на «правильных», попросту говоря, статистически усредненных значениях.

И все же Пауль и его группа не остановились на достигнутом. Они уже начали исследование, результаты которого планируется опубликовать в ближайшее время.

На этот раз они измерили радиус дейтрона - ядра атома дейтерия (изотопа водорода), состоящего из протона и нейтрона.

 

Они измерили его в мюонном дейтерии, когда мюон вращается вокруг дейтрона.

Затем ученые сравнили свои измерения с радиусом дейтрона, измеренным в обычном дейтерии, орбитируемом электронами, и задались вопросом: существует ли загадка радиуса дейтрона, который соответствует радиусу протона?

В их эксперименте радиус дейтрона измеряется следующим образом: когда электроны или мюоны вращаются вокруг дейтрона на определенном энергетическом уровне, они фактически проводят большую часть своего времени внутри дейтрона, который, подобно солнечной системе, «держит» много пустого пространства.

Локализация внутри дейтрона уменьшает притяжение, испытуемое электроном или мюоном, поскольку заряд дейтрона тянется в разных направлениях, частично аннулируя его.

Поэтому чем больше времени электрон или мюон проводит внутри дейтрона, тем менее прочно он связан и тем легче он может выскочить.

Мюон, поскольку он намного тяжелее, вращается вокруг дейтрона плотнее, чем электрон, и вероятность того, что он окажется внутри, намного выше.

Это означает, что он имеет более низкий заряд, а уменьшение из-за структуры дейтрона является причиной того, что мюон рсиается более точным датчиком его радиуса.

Чтобы измерить радиус, исследователи обстреливают лазером газ мюонного дейтерия, заставляя частицы переходить на более высокий энергетический уровень, не пересекаясь с ядром.

Команда более точно определяет энергию, необходимую мюону для перехода, а это означает, насколько слабо связан мюон, когда находится внутри дейтрона. Далее все просто: вычисляется, где начинаются "внутренности дейтрона", то есть его радиус.

В результате Пауль и компания обнаружили, что радиус дейтрона меньше при измерении в мюонном дейтерии по сравнению со средним значением при использовании электронного дейтерия, как и в случае расхождения в радиусе протона.

Разница в размерах масштабируется от протона к дейтрону именно так, если бы оба эффекта исходили от новой силы.

По словам Пауля, "теперь есть два расхождения, и они совершенно независимы", не считая того, что измерены одной и той же группой.

Тем не менее, физик весьма скептически относится к предположению, что загадка протона является доказательством новой фундаментальной физики.

Его личное предположение заключается в том, что физики неправильно оценили постоянную Ридберга - фактор, используемый для расчета ожидаемых различий между атомными энергетическими уровнями.

Хотя она считается одной из наиболее точной константой, небольшая ошибка способна объяснить загадку радиуса протона и дейтрона.

Чтобы проверить эту возможность, физики из Торонто пытаются измерить радиус протона таким образом, чтобы обойти постоянную Ридберга.

Проводятся и другие эксперименты для проверки альтернативных теорий, как обыденных, так и захватывающих.

Группа Пауля занимается изучением мюонного гелия - системы, где действие некоей силы, если она существует, должно быть усилено, поскольку в ней участвуют два протона.