Физики продолжают размышлять над поведением одной из самых распространенных элементарных частиц — протона. Европейские ученые заявляют, что в ходе проведенного ими эксперимента радиус протона оказался на 0,04 фемтометра меньше, чем при измерении этого радиуса другими способами.
Соответствующая статья опубликована в журнале Science.
Фемтометр — это одна миллионная одной миллиардной доли метра, 10•-15 метра. Несоответствие в четыре сотых этой длины грозит чуть ли не перевернуть наши представления о микромире с ног на голову.
Сегодня ситуация выглядит следующим образом. С середины прошлого века физики пытаются измерить радиус протона, и до 2010 года у них это здорово получалось. Эксперименты ставились разные, но принцип оставался один — измерение квантованных энергетических уровней, на которых может находиться электрон в атоме водорода, или, грубо говоря, высоты его возможных орбит. Величина этих уровней отчасти зависит от радиуса протона, составляющего ядро атома водорода. Эта часть жестко определяется законами квантовой механики, и, зная уровни, можно путем относительно несложных вычислений определить радиус протона. Прежние эксперименты давали для протона одну и ту же величину радиуса — 0,877 фемтометра — с точностью 1—2%, в зависимости от эксперимента. Самое последнее и самое точное измерение подправило эту цифру до четвертого знака после запятой — 0,8768 фемтометра.
Но два года назад группа физиков во главе с Рэндольфом Полом из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Германии решила измерить этот радиус более радикальным способом, заменив электроны в атомах водорода их близкими родственниками — мюонами.
Мюоны в двести раз массивнее электрона, что делает их намного более чувствительными к размеру протона. С помощью ускорителя облако атомов водорода обстреливали пучком мюонов, которые в результате занимали места электронов у некоторой части этих атомов.
Результат получился ошеломляющим: вместо привычного размера 0,877 фемтометра получился размер 0,84.
Протон необъяснимым образом сжался.
По существующим представлениям, протон — частица, состоящая из трех кварков, не может менять свой радиус в зависимости от того, какие массы над ним летают. После скрупулезнейшей проверки была отвергнута и мысль об инструментальной ошибке эксперимента, а уж об ошибках в прошлых экспериментах с обычным атомом водорода, дающих величину радиуса протона в 0,877 фемтометра, нечего и говорить: эти эксперименты исчисляются сотнями.
В эксперименте, описанном в Science, команда во главе с Альдо Антоньини из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе мерила радиус протона снова с помощью атомов мюонного водорода — на этот раз с другим набором энергетических уровней.
Результат получился тот же, что и два года назад, – 0,84 фемтометра.
По словам одного из авторов статьи, Инго Сика из Базельского университета (Швейцария), этот результат, вместо того чтобы прояснить ситуацию, сделал ее еще более таинственной. «Многие пытались объяснить это несоответствие, но пока никто не преуспел», — говорит он.
Самое радикальное объяснение такому несоответствию — наличие новой, никому не известной физики, утверждающей, что мюоны чуть-чуть иначе взаимодействуют с протонами, чем электроны. Однако Сик и его коллега по последнему эксперименту, Джон Аррингтон из Аргоннской национальной лаборатории, сомневаются в таком объяснении. Они верят в современное понимание физики, согласно которому фундаментальное различие между мюоном и электроном «трудно себе представить».
Есть идея и о существовании некой неизвестной частицы, которая вмешивается во взаимодействие мюона с протоном. Это может быть, например, одна из частиц, из которых состоит темная материя. Но поскольку непонятно, каким образом она может менять это взаимодействие, и поскольку она пока вообще не найдена, эта гипотеза остается чисто умозрительной и ничем не подкрепленной.
Некоторые надежды физики возлагают на новые эксперименты, теперь уже не с мюонным водородом, а с мюонным гелием. Но эти эксперименты только готовятся и будут завершены через несколько лет.
