Физики из России и США углубили загадку аномально малых размеров протона

Новые данные указывают на то, что диаметр протона составляет 0,831 фемтометра, что почти на 10% меньше, чем предсказывает Стандартная модель физики

МОСКВА, 6 ноября. /ТАСС/. Новая методика наблюдений позволила российским и зарубежным ученым уточнить радиус протона и подтвердить, что размеры этой частицы действительно почти на 10% меньше, чем предсказывает Стандартная модель физики. Результаты замеров ученых и их возможное значение для науки раскрыто в журнале Nature.

«Когда появились первые расхождения в замерах радиуса протона, мы надеялись, что они указывают на существование пятой силы природы, которая объясняет различия в поведении электронов и мюонов. К сожалению, эти надежды не оправдались — наш эксперимент окончательно закрыл эту возможность», — цитирует Nature Дипангкара Дутту, физика из Университета штата Миссисипи.

Это далеко не первая попытка измерить радиус протона. За последние несколько десятилетий ученые уже вычисляли размер протона как напрямую, обстреливая его при помощи пучков электронов, так и косвенным образом, изучая сдвиги в спектре этих частиц при их взаимодействии с электронами и мюонами, тяжелыми «кузенами» носителей отрицательного заряда.

Они показали достаточно разные результаты. Замеры первого типа указали, что диаметр протона составлял примерно 0,897 фемтометра, триллионных долей миллиметра. Непрямые наблюдения с применением электронов указали на чуть меньшие размеры частицы, 0,8768 фемтометра. Позже, в 2010 году, мюонная методика замеров дала еще меньший размер протона — 0,84184 фемтометра.

Эти расхождения, как считали ученые девять лет назад, могли указывать на наличие следов новой физики в поведении протонов, так как подобный разброс в массах, вычисленных различными путями, нельзя было объяснить в рамках Стандартной модели физики.

Недавно эти споры возобновились с новой силой после того, как российские и немецкие физики более точно измерили диаметр протона, используя электроны и набор лазеров. Они впервые достоверно указали на то, что он составляет 0,833 фемтометра, что заметно меньше, чем предсказывает общепринятая теория. Эти же замеры указали на то, что одна из важнейших фундаментальных констант физики, постоянная Ридберга, имеет неправильное значение.

По следам новой физики

Дутта и его коллеги из российского Института теоретической и экспериментальной физики, а также исследователи из Армении, США и Украины выяснили, что противоречия в прямых и косвенных замерах были связаны c погрешностями измерений, проведя серию сверхточных экспериментов первого рода.

Эти опыты ученые провели благодаря ускорителю частиц CEBAF в американской лаборатории Томаса Джефферсона, постоянно вырабатывающему сверхчистые пучки электронов высокой энергии. Используя этот поток заряженных частиц, физики обстреляли несколько протонов и проследили за тем, как разогнанные носители отрицательного заряда отскакивали от них.

В отличие от прошлых попыток напрямую измерить диаметр протона эти опыты проводились в специальных изолированных камерах, максимально защищенных от внешней среды и других источников помех. Они были установлены внутри ускорителя таким образом, что луч электронов максимально прямо ударял по облаку атомов водорода, что сделало замеры рекордно точными.

Новые данные, полученные российскими и зарубежными физиками, указывают на то, что протон еще меньше, чем предполагали ученые — его диаметр составляет 0,831 фемтометра. С одной стороны, это примиряет результаты прямых электронных и косвенных мюонных замеров, позволяя говорить о том, что первые проводились раньше недостаточно точно и что постоянная Ридберга, считавшаяся раньше самой точно измеренной физической константой, действительно была неверной.

С другой стороны, это открытие углубляет загадку необъяснимо малых размеров частицы, не предсказываемую теорией квантовой электродинамики, описывающей устройство протона, нейтрона и прочих субатомных частиц, а также взаимодействия между ними. Как надеются ученые, дальнейшие опыты на CEBAF, в рамках которых они планируют провести аналогичные замеры для дейтерия, тяжелого водорода, приблизят их к ответу на этот вопрос.

Источник https://nauka.tass.ru/nauka/7086208