Мюон указал на ошибку в размере протона

Новые данные о размере протона (в случае их подтверждения) могут означать, что ранее также неправильно была определена постоянная Ридберга. Между тем, она используется астрономами в спектроскопии, с её помощью они определяют, из каких элементов состоят межзвёздные облака пыли и газа. Уже одного этого примера достаточно для понимания, отчего возник такой переполох.

Когда физики пересматривают свои законы, никакого глобального катаклизма, как правило, не происходит. Однако когда речь идёт о фундаментальных постоянных, на это обращают внимание даже люди, далёкие от науки. Недавно учёный мир всколыхнуло известие о том, что радиус протона, вписанный во все учебники, был посчитан неверно.

Водород — один из самых распространённых элементов во Вселенной, и в силу простоты его строения (один электрон кружит вокруг одного протона) атомы водорода, как и их составляющие, изучены, пожалуй, как никакие другие. По крайней мере, так до недавнего времени думали физики.

Однако нынешнее исследование перевернуло всё с ног на голову, ещё раз показав человечеству, что, несмотря на весь научный потенциал и накопленный опыт, мы не слишком хорошо разбираемся даже в элементарных вещах. Но обо всё по порядку.

Героем сенсационной научной работы стал протон. У него нет какой-либо твёрдой оболочки. Это не орех со скорлупой, радиус которой можно измерить напрямую. Но о размерах частицы можно судить по его взаимодействию с соседом-электроном.

Дело в том, что электрон, обращаясь вокруг протона, может занимать только определённые дискретные энергетические уровни, так называемые орбитали. Часть из них зависит от размеров протона. Потому, определяя "положение" электрона, можно высчитать и радиус положительно заряженной частицы. С 60-х годов прошлого века подобные измерения проводились множество раз. Последние данные показали: радиус протона равен 0,8768 фемтометра (1 фм = 10-15м).

Чтобы удостовериться в своих прежних выводах, а также подтвердить постулаты квантовой электродинамики (QED), физики с 1969 года мечтали провести эксперимент с изменённым атомом водорода: в нём электрон должен был быть заменён на мюон.

Эта неустойчивая элементарная частица с отрицательным зарядом в 200 раз тяжелее электрона. "Из-за большей массы мюон вращается вокруг протона на более близком расстоянии, а значит и более чувствителен к его радиусу", — говорит один из исследователей Альдо Антоньини (Aldo Antognini) из швейцарского института Пауля Шеррера (PSI). То есть мюон позволяет более точно определить структуру атома.

Проблема заключалась в том, что на энергетическом уровне, который необходимо было "поймать" учёным, частица находится в течение всего лишь пары микросекунд. И лишь недавнее развитие технологий позволило команде из 32 физиков, возглавляемой доктором Рандольфом Полем (Randolf Pohl) из института квантовой оптики Макса Планка, провести первые эксперименты с мюонным водородом.

Антоньини (наверху слева) и его коллега Франц Коттманн (Franz Kottmann), а также вид сверху на швейцарский ускоритель (фото PSI).

Поначалу учёные хотели лишь подтвердить полученные ранее данные. Для этого они столкнули облако атомов водорода с потоком мюонов, полученном в ускорителе. В результате неустойчивые частицы вытеснили часть электронов.

Большинство мюонов сразу же расположились на 1s-орбитали (самой низкоэнергетической), в то время как каждый сотый занял более "высокую" 2s-орбиталь. В течение следующей микросекунды (до распада такого мюона) учёные имели возможность осветить изменённые атомы импульсами лазера с частотой, позволяющей "перекинуть" редкие мюоны на более высокую орбиталь (с 2s на 2p).

В дальнейшем эти мюоны "опускаются" на 1s-орбиталь, а "лишнюю" энергию испускают в виде рентгеновских лучей. При этом разница между энергетическими уровнями, определяемая размерами протона, влияет на частоту рентгеновского излучения.

 В 2003 и 2007 годах физики неоднократно проводили описанный выше эксперимент, но не получали излучение с прогнозируемой (по общепринятому радиусу протона) частотой. Долгое время они полагали, что что-то не так с аппаратурой. И лишь летом 2009 года решили расширить "зону охвата".


В результате ими было пойманы лучи, которые свидетельствовали о том, что радиус изучаемой частицы – 0,8418 фм. "Мы очень удивились и до сих пор не можем объяснить, откуда появилось такое расхождение", — комментирует Антоньини.

Здесь показана лазерная установка, использованная Полем и его коллегами. Подробности на этой странице и в пресс-релизе института Макса Планка. Учёные утверждают, что их данные в 10 раз более точные, нежели те, что были получены ранее (фото PSI/ A. Antognini, F. Reiser).

Оказалось, что радиус протона на 4% меньше заявленного ранее. Для обычного человека минус 0,00000000000003 миллиметра – сущие мелочи, а вот учёные не на шутку поразились новым данным. Ведь они никак не согласовывались не только с прежними выводами, но и с расчётами квантовой электродинамики.

Будь разница однопроцентной и менее, физики чувствовали бы себя спокойнее. Но 4% — это уже слишком! Для сравнения: разработанная физиками-теоретиками квантовая электродинамика в некоторых случаях "ошибалась" лишь на сотни миллионных долей процента.

"Теоретики сразу сказали нам, что такое сильное расхождение в экспериментальных данных невозможно", — рассказывает Рандольф.

Будет ли пересмотрен радиус протона, будет ли найдена ошибка в предыдущих опытах и расчётах, придётся ли изменять устоявшиеся законы квантовой механики или вовсе пересматривать физику частиц, пока говорить рано. Мнения самих учёных сильно расходятся.

Многие, и прежде всего представители Комитета по данным для науки и техники, полагают, что ошиблась именно команда Поля. "Слишком серьёзное несоответствие. В каком-то месте должна быть ошибка", — полагает Инго Сик (Ingo Sick) из университета Базеля (Universität Basel). Он попытался примирить 40 лет прежних измерений и новые данные. Судя по вышесказанному, найти просчёт ему самому пока не удалось.

Если же нынешние выводы подтвердятся, то шуму, скорее всего, будет больше, чем вокруг начала работы Большого адронного коллайдера (LHC). Вполне возможно, что вслед за квантовой электродинамикой придётся пересмотреть и Стандартную модель (Standard Model), описывающую все взаимодействия элементарных частиц, кроме гравитационного.

Впрочем, может быть и так, что физики по обе стороны баррикад всё сделали правильно. Тогда на сцену может выйти ещё одно альтернативное объяснение. Учёные до сих пор отмечают, что внутреннее строение протона ими изучено слабо. Элементарная частица тоже не однородна – состоит из кварков, а это может означать, что заряд распределён по сфере неравномерно.

Из-за этой внутренней сложности физики не могут точно определить электромагнитное взаимодействие протона и мюона, отмечает Рудольф Фаустов из РАН. Отсюда и разница между радиусами протона обычного и мюонного водорода.

Пока не ясно, как разделить разные взаимодействия. Возможно, физикам придётся пересмотреть представления о "связи" протона и мюона или найти новую частицу, которая отвечает за это взаимодействие (тут в памяти всплывает теория суперсимметрии).

Но прежде всего учёные должны "тщательно прочесать все существующие расчёты", полагает теоретик Карл Карлсон (Carl Carlson) из американского Колледжа Уильяма и Мэри. На скрупулёзное изучение деталей нынешнего эксперимента у физиков со всего мира может уйти несколько недель.

 Поль (на фото в жёлтой футболке) хоть и уверен в правильности полученных результатов, всё же не хотел бы, чтобы объяснение расхождению находили при помощи введения новых теорий (фото PSI).


Ясно, что эксперимент попытаются повторить другие научные группы. Пожалуй, только тогда можно будет с уверенностью судить о правоте-неправоте команды Поля. Тем временем Рандольф и его коллеги тоже не будут сидеть сложа руки и в течение ближайших двух лет попробуют провести другой опыт: измерение радиуса протона в атоме мюонного гелия.

Источник: Membrana