Вчені підтвердили, що розмір протона менший, ніж вважалося раніше

Одна з найпоширеніших часток у Всесвіті - протон - виявилася однією з головних порушників спокою в світі фізики. Ще в 2010 році в журналі Nature були опубліковані результати дослідження, що показали, що діаметр цієї фундаментальної складової атомного ядра на 4% менше, ніж думали раніше. Свіжа стаття, опублікована в журналі Science за підсумками повторних досліджень, підтверджує це.

Вчений світ перебував у подиві і витратив більше двох років, щоб пояснити цю невідповідність. Нова робота ще більше сплутала карти, підтвердивши, що реальний розмір протона менший, ніж говорять розрахунки, засновані на закони фізики.

Зазначимо, що протон не має будь-яких чітко визначених кордонів, тому його розміри можна визначити лише за взаємодією з обертовими навколо нього частками (наприклад, електронами). В якості основного об'єкта для обчислення діаметра цієї позитивно зарядженої частки традиційно виступав атом водню.

Найпростіший хімічний елемент складається з одного протона і одного електрона. При цьому електрон обертається навколо протона на строго певній відстані залежно від енергетичного рівня. Електрон може переміщатися з одного рівня на інший, поглинаючи або виділяючи енергію у вигляді фотонів світла. Вимірюючи енергію фотонів, що виходять від порушеного атома водню, фізики можуть визначити допустиме положення орбіталей, і на підставі законів квантової фізики розрахувати відстань від них до протона.

Вперше такі вимірювання були проведені в 1960-х роках. З тих пір вважалося, що радіус протона дорівнює 0,8768 фемтометра або менше однієї трильйонної міліметра.

Проблеми почалися після того, як про результати своїх вимірювань заговорила група фізиків, що працює під керівництвом Рандольфа Поля (Randolf Pohl) з Інституту квантової оптики Макса Планка. Вчені з допомогою прискорювача елементарних частинок бомбардували атоми водню мюонами. У результаті ці нестабільні елементарні частинки, які в двісті разів важчі електронів і також мають негативний заряд, витіснили електрони, зайнявши їх місця. Через більшу масу мюон обертається набагато ближче до протона і більш чутливий до його діаметра. Тому вимірювання, засновані на такій взаємодії, набагато точніші.

В 2010 році Поль і його колеги вперше опублікували уточнений розмір протона, рівний 0,8418 фемтометра. У звичайному житті різниця в 0,00000000000003 міліметра практично непомітна, але тільки не в питаннях квантової фізики, де похибка зазвичай не перевищує долі відсотка.

Два роки потому та ж команда дослідників провела повторні дослідження. Як повідомляється в статті, опублікованій у журналі Science, вчені також отримали мюоні атоми водню, але цього разу з допомогою лазера переводили важкі негативні частки на інші орбіталі, щоб зробити розрахунки на підставі нового набору енергетичних рівнів.

Учені стверджують, що останні вимірювання були на порядок точнішими, ніж у 2010 році. Однак діаметр протона виявився 0,8408 фемтометра, що майже повністю відповідає попереднього результату.

Однак фізики так і не знайшли точної відповіді на питання: звідки взялася різниця в 4%? У жовтні 2012 року в Італії пройшов спеціальний семінар, в якому взяли участь 50 експертів з протонів зі всього світу. В результаті фахівці зійшлися думки, що між електронами і мюонами існують деякі відмінності, які знаходяться поза стандартними фізичними моделями. Саме вони впливають на результат.

Учені сподіваються, що розгадка таємниці буде знайдена протягом наступних двох-трьох років. Можливо, щось проясниться після експериментів з вимірюванням енергетичних рівнів в мюонних атомах гелію, які планується провести в найближчі два роки. !zn

Читайте також:

Німецькі і російські вчені спіймали 100 тис. заплутаних фотонів

Фізик запропонував спосіб виявлення просторово-тимчасової піни

Коллайдер зафіксував рідкісний розпад частинок, "поховавши" теорію нової фізики

Великий адронний колайдер зупинили до 2015 року