Загадочный размер протона наводит на мысль о существовании новой частицы
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…
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».
