Физики уменьшили радиус протона

Радиус протона оказался на 4 процента меньше, чем считалось до сих пор. Такой вывод был сделан группой физиков, которые провели самое точное на сегодняшний день измерение радиуса элементарной частицы. Свои результаты ученые опубликовали в журнале Nature. Коротко о работе пишет New Scientist.

Протон наряду с нейтроном входит в состав атомных ядер. Напрямую определить размер этой частицы нельзя, так как у нее нет четкой пространственной границы. Тем не менее, ученые могут оценить радиус протона, определив, насколько далеко простирается его положительный заряд. Для того чтобы провести такие измерения, исследователи работают с атомами водорода, которые состоят из одного протона и одного электрона.

Электрон обращается вокруг протона не по строго установленным траекториям — эта элементарная частица может занимать определенные энергетические уровни. В 1947 году американские физики Уиллис Юджин Лэмб и Роберт Резерфорд установили, что электрон в атоме водорода может колебаться между двумя энергетическими уровнями (это явление получило название лэмбовского сдвига). Выяснив, какова разница энергии между двумя этими уровнями, ученые могут на основании положений теории квантовой электродинамики вычислить радиус протона, уточняет портал ScienceNOW.

Авторы новой работы решили уточнить полученные ранее оценки размера протона, использовав необычную технологию эксперимента. Физики получали структуру, подобную атому водорода, в которой вместо электрона находился мюон — отрицательно заряженная электронная частица в 207 раз тяжелее электрона. Из-за разницы в массе мюон обращается приблизительно в 200 раз ближе к протону и изменения его энергетических уровней намного сильнее зависят от характеристик протона.

Используя самый мощный ускоритель мюонов в швейцарском институте Пауля Шеррера, ученые "запускали" мюоны в емкость, содержащую атомы водорода. При этом примерно каждый сотый мюон, заменивший электрон, "проваливался" до более высокого энергетического уровня из "разрешенных" лэмбовским сдвигом. Такие частицы существовали в течение двух микросекунд, что на порядок дольше, чем в проводимых ранее экспериментах. При помощи лазера со специально подобранными характеристиками физики придавали мюону дополнительную энергию, которой точно хватало для перехода на следующий уровень. Практически сразу мюон вновь возвращался на более низкий энергетический уровень, испуская при этом рентгеновское излучение, поясняет Wired. Анализируя это излучение, специалисты смогли определить энергию уровня и затем радиус протона. Здесь можно увидеть видео на английском языке, в котором отражены основные этапы эксперимента.

По итогам проведенных опытов ученые вычислили, что радиус протона составляет 0,84184 фемтометров (фемтометр — это 10-15 метра), что на 4 процента меньше принятого на сегодня значения. Пока исследователи не могут объяснить новые результаты, так как они противоречат теории квантовой электродинамики, которая считается самой точной физической теорией. Коллеги авторов не исключают, что причиной расхождения может быть ошибка (или ошибки), произошедшая на одной из стадий эксперимента. Еще одно возможное объяснение — ошибки в положениях теории квантовой электродинамики. И, наконец, третий вариант, о котором специалисты говорят с очень большой осторожностью, — новые результаты свидетельствуют о том, что у протона существуют абсолютно неизвестные физикам свойства.