Мюон указал на ошибку в размере протона
В то время, когда физики производят перерасмотрение собственные законы, никакого глобального катаклизма, в большинстве случаев, не происходит. Но в то время, когда речь заходит о фундаментальных постоянных, на это обращают внимание кроме того люди, далёкие от науки. Сравнительно не так давно учёный мир всколыхнуло известие о том, что радиус протона, вписанный во все книжки, был посчитан неверно.
Водород — один из самых распространённых элементов во Вселенной, и в силу простоты его строения (один электрон кружит около одного протона) атомы водорода, как и их составляющие, изучены, пожалуй, как никакие другие. По крайней мере, так до недавнего времени думали физики.
Но нынешнее изучение перевернуло всё с ног на голову, ещё раз продемонстрировав человечеству, что, не обращая внимания на целый научный потенциал и накопленный опыт, мы не через чур прекрасно разбираемся кроме того в элементарных вещах.
Храбрецом сенсационной научной работы стал протон. У него нет какой-либо жёсткой оболочки. Это не орех со скорлупой, радиус которой возможно измерить напрямую.
Но о размерах частицы возможно делать выводы по сотрудничеству протона с соседом-электроном.
Революционная статья размещена в издании Nature и, конечно же, удостоилась чести быть вынесенной на обложку (иллюстрация Nature).
Дело в том, что электрон, обращаясь около протона, может занимать лишь определённые дискретные энергетические уровни, так именуемые орбитали. Часть из них зависит от размеров протона. Потому, определяя «положение» электрона, возможно высчитать и радиус положительнозаряженной частицы. С 1960-х годов подобные измерения проводились множество раз.
Последние эти продемонстрировали: радиус протона равен 0,8768 фемтометра (1 фм = 10-15м).
Дабы удостовериться в собственных прошлых выводах, и подтвердить постулаты квантовой электродинамики (QED), физики с 1969 года грезили совершить опыт с поменянным 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 около протона на более близком расстоянии, соответственно, и более чувствителен к его радиусу», — говорит один из исследователей Альдо Антоньини (Aldo Antognini) из швейцарского университета Пауля Шеррера (PSI). Другими словами мюон разрешает более определить структуру атома.
Неприятность заключалась в том, что на энергетическом уровне, что нужно было «поймать» учёным, частица находится в течение всего лишь пары микросекунд. И только недавнее развитие разработок разрешило команде из 32 физиков, возглавляемой врачом Рандольфом Полем (Randolf Pohl) из университета квантовой оптики Макса Планка, совершить первые опыты с мюонным водородом.
Антоньини (наверху слева) и его сотрудник Франц Коттманн (Franz Kottmann), и вид сверху на швейцарский ускоритель (фото PSI).
Сначала учёные желали только подтвердить полученные ранее эти. Для этого они столкнули облако атомов водорода с потоком мюонов, взятым в ускорителе. В следствии неустойчивые частицы вытеснили часть электронов.
Большая часть мюонов сразу же расположились на 1s-орбитали (самой низкоэнергетической), тогда как каждый сотый занял более «высокую» 2s-орбиталь. В течение следующей микросекунды (до распада для того чтобы мюона) учёные имели возможность осветить поменянные атомы импульсами лазера с частотой, разрешающей «перекинуть» редкие мюоны на более высокую орбиталь (с 2s на 2p).
В будущем эти мюоны «опускаются» на 1s-орбиталь, а «лишнюю» энергию испускают в виде рентгеновских лучей. Наряду с этим отличие между энергетическими уровнями, определяемая размерами протона, воздействует на частоту рентгеновского излучения.
излучение переходов и Иллюстрация мюонов, испускаемое в ходе перескока частиц между орбиталями (иллюстрация Nature).
В 2003 и 2007 годах физики много раз проводили обрисованный выше опыт, но не получали излучение с прогнозируемой (по общепринятому радиусу протона) частотой. Продолжительное время они полагали, что виной тому аппаратура. И только летом 2009 года решили увеличить «территорию охвата».
В следствии ими было пойманы лучи, каковые свидетельствовали о том, что радиус изучаемой частицы – 0,8418 фм. «Мы весьма удивились и до сих пор не можем растолковать, откуда показалось такое расхождение», — комментирует Антоньини.
Тут продемонстрирована лазерная установка, использованная его коллегами и Полем. Подробности на данной странице и в пресс-релизе университета Макса Планка.
Учёные утверждают, что их данные в 10 раз правильнее взятых ранее (фото PSI/ A. Antognini, F. Reiser).
Оказалось, что радиус протона на 4% меньше заявленного. Для простого человека минус 0,00000000000003 миллиметра – сущие мелочи, а вот учёные не на шутку поразились новым данным. Так как они никак не согласовывались не только с прошлыми выводами, но и с расчётами квантовой электродинамики.
Будь отличие однопроцентной и менее, физики ощущали бы себя спокойнее. Но 4% — это уже через чур! Для сравнения: созданная физиками-теоретиками квантовая электродинамика в некоторых случаях «ошибалась» только на много миллионных долей процента.
Сравнение результатов, взятых различными способами. Планки отражают допустимую неточность (иллюстрация Nature).
«Теоретики сходу сообщили нам, что такое сильное расхождение в экспериментальных данных нереально», — говорит Рандольф.
Будет ли пересмотрен радиус протона, отыщут ли неточность в расчётах и предыдущих опытах, будет необходимо ли изменять устоявшиеся законы квантовой механики либо вовсе производить перерасмотрение физику частиц, пока сказать рано. Мнения самих учёных очень сильно расходятся.
Многие, и в первую очередь представители Комитета согласно данным для науки и техники, считают, что совершила ошибку как раз команда Поля. «Через чур важное несоответствие. В каком-то месте должна быть неточность», — думает Инго Сик (Ingo Sick) из университета Базеля (Universitat Basel). Он постарался примирить 40 лет прошлых измерений и новые эти.
Если судить по сказанному выше, отыскать просчёт ему самому пока не удалось.
В случае если же нынешние выводы подтвердятся, то шуму, вероятнее, будет больше, чем около начала работы Громадного адронного коллайдера (LHC). В полной мере быть может, что за квантовой электродинамикой нужно будет пересмотреть и Стандартную модель (Standard Model), обрисовывающую все сотрудничества элементарных частиц, не считая гравитационного.
Вся эта электроника просчитывает эти с рентгеновского излучения и детекторов мюонов (фото PSI).
Но, возможно и без того, что физики по обе стороны баррикад всё сделали верно. Тогда на сцену может выйти ещё одно другое объяснение. Учёные до сих пор отмечают, что внутреннее строение протона ими изучено слабо.
Элементарная частица также неоднородна – складывается из кварков, а это вероятно значит, что заряд распределён по сфере неравномерно.
Из-за данной внутренней сложности физики не смогут определить электромагнитное сотрудничество мюона и протона, отмечает Рудольф Фаустов из РАН. Из этого и отличие между радиусами протона простого и мюонного водорода.
Пока не светло, как поделить различные сотрудничества. Быть может, физикам нужно будет пересмотреть представления о «мюона» и связи протона либо отыскать новую частицу, которая несёт ответственность за это сотрудничество (тут в памяти всплывает теория суперсимметрии).
«Но в первую очередь учёные должны шепетильно прочесать все существующие расчёты», — думает теоретик Карл Карлсон (Carl Carlson) из американского Колледжа Уильяма и Мэри. На скрупулёзное изучение подробностей нынешнего опыта у физиков со всех стран может уйти пара недель.
Поль (на фото в жёлтой футболке) хоть и не сомневается в правильности взятых результатов, однако не желал бы, дабы объяснение расхождению обнаружили при помощи введения новых теорий (фото PSI).
Ясно, что опыт постараются повторить другие научные группы. Пожалуй, лишь тогда возможно будет с уверенностью делать выводы о правоте-неправоте команды Поля. Тем временем Рандольф и его коллеги также не будут сидеть сложа руки и в течение ближайших двух лет попытаются совершить второй опыт: измерение радиуса протона в атоме мюонного гелия.