Физический сюрприз: протоны, вероятно, на самом деле меньше, чем считалось ранее

Исследование, проведенное Боннским университетом и Техническим университетом Дармштадта, предполагает наличие ошибок в интерпретации более старых измерений.

Несколько лет назад новый метод измерения показал, что протоны, вероятно, меньше, чем предполагалось в 1990-х годах. Это несоответствие удивило научное сообщество; некоторые исследователи даже считали, что Стандартную модель физики элементарных частиц придется изменить.

Физики из Боннского университета и Технического университета Дармштадта разработали метод, который позволяет им анализировать результаты более старых и более поздних экспериментов гораздо более всесторонне, чем раньше. Это также приводит к меньшему радиусу протона из старых данных. Так что, вероятно, между значениями нет разницы — независимо от того, на каком методе измерения они основаны.

Все в нашем мире состоит из атомов, которые, в свою очередь, состоят из электронов, протонов и нейтронов. Электроны заряжены отрицательно; согласно современным знаниям, они не имеют точного размера, а представляют собой облако вероятностного расположения.

Положительно заряженные протоны другие — по текущим измерениям их радиус составляет 0,84 фемтометра (фемтометр — это квадриллионная доля метра).

Однако еще несколько лет назад считалось, что их радиус составляет 0,88 фемтометра — крошечная разница, которая вызвала настоящий переполох среди ученых.

Потому что это было не так просто объяснить. Некоторые эксперты даже сочли это признаком того, что Стандартная модель физики элементарных частиц неверна и нуждается в модификации.

«Однако наши анализы показывают, что этой разницы между старыми и новыми измеренными значениями вообще не существует», — объясняет профессор Ульф Мейснер из Института ядерной физики им. Гельмгольца Боннского университета. «Вместо этого более старые значения были подвержены систематической ошибке, которая до сих пор была значительно недооценена».

Игра в бильярд элементарными частицами

Чтобы определить радиус протона, его можно бомбардировать электронным пучком в ускорителе. Когда электрон сталкивается с протоном, оба меняют направление своего движения — подобно столкновению двух бильярдных шаров.

В физике этот процесс называется упругим рассеянием. Чем больше протон, тем чаще происходят такие столкновения. Следовательно, его размер можно рассчитать по типу и степени рассеяния.

Чем выше скорость электронного луча, тем точнее измерения. Однако это также увеличивает риск того, что электрон и протон сформируют новые частицы при столкновении.

«При высоких скоростях или энергиях это происходит все чаще и чаще», — объясняет Ульф Мейснер. «В свою очередь, случаи упругого рассеяния становятся все реже. Поэтому для измерения размера протона до сих пор использовались только данные ускорителей, в которых электроны имели относительно низкую энергию».

В принципе, столкновения, в результате которых образуются другие частицы, также дают важные сведения о размере протона. То же относится и к другому явлению, возникающему при больших скоростях электронного пучка, — так называемой электрон-позитронной аннигиляции.

«Мы разработали теоретическую основу, с помощью которой такие события также можно использовать для расчета радиуса протона», — говорит профессор Ганс-Вернер Хаммер из Технического университета Дармштадта. «Это позволяет нам учитывать данные, которые до сих пор не учитывались».

Используя этот метод, физики повторно проанализировали показания более старых, а также самых последних экспериментов, в том числе тех, которые ранее предполагали значение 0,88 фемтометра.

Однако с помощью своего метода исследователи пришли к 0,84 фемтометра; это радиус, который также был найден в новых измерениях, основанных на совершенно другой методике.

Таким образом, протон на самом деле кажется примерно на 5 процентов меньше, чем предполагалось в 1990-х и 2000-х годах.

В то же время метод исследователей также позволяет по-новому взглянуть на тонкую структуру протонов и их незаряженных братьев, нейтронов. Так что это помогает немного лучше понять структуру окружающего нас мира.