Загадочный размер протона наводит на мысль о существовании новой частицы

18.04.2013, Илья Хель 17

Модель атома Нильса Бора глазами художника.

Как говорил Августин Блаженный, «я знаю, что такое время, пока не задумываюсь об этом». Примерно то же самое хотят сказать физики в отношении размера протона, который долгое время был хорошо известен. Однако новые измерения размера протона не соответствуют старым. И тут заверте…

Масса протона

Роль успешного водителя за нос элементарные частицы передают из рук в руки. Не так давно бозон Хиггса начал морочить голову физикам, как 13 апреля на совещании Американского физического сообщества ученые пришли к выводу, что им не хватает данных, чтобы объяснить, почему новые измерения размера протона не сходятся со старыми.

«Расхождение довольно внушительное», — сообщил Рэндольф Пол, ученый из Института квантовой оптики Макса Планка. На вопрос, как говорит не только сам Пол, но и его коллеги, есть два ответа: скучный — кто-то ошибся в измерениях, и интересный — который породит новые теории в физике.

Невероятный протон

Протон — это положительно заряженная частица, входящая в ядро атома, строительный кирпичик всего, что вы знаете. Годами измерения показывали, что радиус протона составляет 0,8768 фемтометра (фемтомер — это одна миллионная миллиардной доли метра).

Однако новый метод измерений в 2009 году выдал другой результат: 0,84087 фемтометра, разница составила 4 %.

Во время предыдущих измерений для определения радиуса протона использовались электроны, отрицательно заряженные частицы, которые вращаются вокруг ядра в облачке. Чтобы сделать замер с электронами, ученым нужно проделать одну из двух вещей. Во-первых, можно стрелять электронами в протон и выяснить, как будут отражаться электроны. Этот метод рассеяния электронов дает понятие о размере положительно заряженного протона.

Другой вариант — заставить электрон двигаться. Электроны вращаются вокруг ядра атома, где прячется протон, на разных уровнях, которые называются орбиталями. Они могут прыгать с одной орбитали на другую, увеличивая или уменьшая свою энергию, в процессе чего электрон будет испускать или получать элементарную частичку света под названием фотон. Количество энергии, необходимое для того, чтобы сдвинуть электрон с одной орбитали на другую, и подскажет физикам, каков размер протона.

Пол и его коллеги не использовали электроны для измерения протона. Вместо этого, они подключили к делу другую негативно заряженную частицу, которая называется мюон. Мюон в 200 раз тяжелее электрона, поэтому его орбиталь по отношению к протону располагается в 200 раз ближе. Такой вес облегчает задачу ученых предсказать, на какую орбиталь смещается мюон, а следовательно более точно узнать размер протона.

«Мюон ближе к протону и ему лучше его видно», — говорит Пол.

Возможные объяснения

Эти измерения с помощью чувствительных мюонов и обеспечили физикам неожиданные результаты. Совершенно неожиданно. Теперь физики пытаются объяснить расхождения.

Самым простым объяснением может быть элементарная ошибка в расчетах. Примерно так же физики опростоволосились, когда выяснили, что нейтрино могут двигаться быстрее скорости света. Пол говорит, что «скучное объяснение» наиболее вероятно, но не все физики с ним согласны.

«Не могу сказать, что в эксперимент закралась ошибка», — говорит физик из Массачусетского технологического института Ян Бернауэр.

Он также не отрицает, что измерения с помощью электронов проводились много раз, и что если в мюонный эксперимент закралась погрешность и он был проведен неправильно, результаты, конечно же, аннулируются.

Но если «эксперимент невиновный», могут быть ошибки и в расчетах, а значит «мы знаем, что происходит, просто считаем неправильно», отмечает Бернауэр.

Самым захватывающим может быть то, что расхождение положит начало новой физике, которая не объясняется Стандартной моделью и порядком всем надоела, но все так же исправно работает. Возможно, физики чего-то не знают о том, как мюоны и электроны взаимодействуют с другими частицами. Так считает Джон Аррингтон, физик из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.

Возможно, фотоны — не единственные частицы, которые переносят силу между частицами, и в дело вошла доселе неизвестная частица, которая и породила непонятные результаты в измерении протона.

Что дальше?

Чтобы выяснить, что происходит, физики запускают целый ряд экспериментов в разных лабораториях. Одним из основных направлений исследований будет тестирование электронного рассеяния, чтобы убедиться, что оно работает правильно, и не искать без вины виноватый мюон.

Друга цель — эксперименты с рассеянием, но вместо электронов для обстрела будут использоваться мюоны. Этот проект под названием MuSE (Muon Scattering Experiment, или эксперимент рассеяния мюонов) будет иметь место в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии. Там есть все необходимые установки для высокоточных экспериментов, более того, там появится возможность провести электронное и мюонное рассеяние в одном эксперименте.

«Есть надежда, что нам удастся во второй раз повторить результаты первого эксперимента», — говорит Аррингтон. — «Если расхождение останется, мы заглянем в ту же коробку и посмотрим, есть ли определенная зависимость от места проведения эксперимента, или же электроны и мюоны преподнесут нам нечто принципиально новое?».

Сбор данных начнется в 2015-2016 году. Аррингтон отметил, что вопрос размера протона пока будет находиться в подвешенном состоянии.

«Это не так просто. Мы надеемся уточнить его минимум за 10 лет, но это оптимистичные прогнозы».

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.