Ученые подтвердили, что размер протона меньше, чем считалось раньше

Одна из самых распространенных частиц во Вселенной – протон – оказалась одним из главных возмутителей спокойствия в мире физики. Еще в 2010 году в журнале Nature были опубликованы результаты исследования, показавшие, что диаметр этой фундаментальной составляющей атомного ядра на 4% меньше, чем думали раньше. Свежая статья, опубликованная в журнале Science по итогам повторных исследований, подтверждает это.

Ученый мир пребывал в недоумении и потратил более двух лет, чтобы объяснить это несоответствие. Новая работа еще больше спутала карты, подтвердив, что реальный размер протона меньше, чем говорят расчеты, основанные на законах физики.

Отметим, что протон не имеет каких-либо четко различимых границ, поэтому его размеры можно определить лишь по взаимодействию с вращающимися вокруг него частицами (например, электронами). В качестве основного объекта для вычисления диаметра этой положительно заряженной частицы традиционно выступал атом водорода.

Простейший химический элемент состоит из одного протона и одного электрона. При этом электрон вращается вокруг протона на строго определенном расстоянии в зависимости от энергетического уровня. Электрон может перемещаться с одного уровня на другой, поглощая или выделяя энергию в виде фотонов света. Измеряя энергию фотонов, исходящих от возбужденного атома водорода, физики могут определить допустимое положение орбиталей, и на основании законов квантовой физики рассчитать расстояние от них до протона.

Впервые такие измерения были проведены в 1960-х годах. С тех пор считалось, что радиус протона равен 0,8768 фемтометра или менее одной триллионной миллиметра.

Проблемы начались после того, как о результатах своих измерений заговорила группа физиков, работающих под руководством Рандольфа Поля (Randolf Pohl) из Института квантовой оптики Макса Планка. Ученые с помощью ускорителя элементарных частиц бомбардировали атомы водорода мюонами. В результате эти нестабильные элементарные частицы, которые в двести раз тяжелее электронов и также имеют отрицательный заряд, вытеснили электроны, заняв их места. Из-за большей массы мюон вращается гораздо ближе к протону и более чувствителен к его диаметру. Поэтому измерения, основанные на таком взаимодействии, гораздо точнее.

В 2010 году Поль и его коллеги впервые опубликовали уточненный размер протона, равный 0,8418 фемтометра. В обычной жизни разница в 0,00000000000003 миллиметра практически неощутима, но только не в вопросах квантовой физики, где погрешность обычно не превышает долей процента.

Два года спустя та же команда исследователей провела повторные исследования. Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Science, ученые также получили мюонные атомы водорода, но на этот раз с помощью лазера переводили тяжелые отрицательные частицы на другие орбитали, чтобы сделать расчеты на основании нового набора энергетических уровней.

Ученые утверждают, что последние измерения были на порядок точнее, чем в 2010 году. Однако диаметр протона оказался равен 0,8408 фемтометра, что почти полностью соответствует предыдущему результату.

Однако физики так и не нашли точного ответа на вопрос: откуда взялась разница в 4%? В октябре 2012 года в Италии прошел специальный семинар, в котором приняли участие 50 экспертов по протонам со всего мира. В результате специалисты сошлись во мнении, что между электронами и мюонами существуют некоторые различия, которые находятся вне стандартных физических моделей. Именно они влияют на получаемый результат.

Ученые надеются, что разгадка тайны будет найдена в течение последующих двух-трех лет. Возможно, что-то проясниться после экспериментов с измерением энергетических уровней в мюонных атомах гелия, которые планируется провести в ближайшие два года. !zn

Читайте также:

Немецкие и российские ученые поймали 100 тыс. запутанных фотонов

Физик предложил способ обнаружения пространственно-временной пены

Коллайдер зафиксировал редкостный распад частиц, "похоронив" теорию новой физики

Большой адронный коллайдер остановили до 2015 года