Физики измеряют точный радиус протона
Новые измерения подтверждают тот факт, что протоны более миниатюрны, чем считалось ранее
В течение почти десятилетия ученые спорили о размере мелких субатомных частиц: очень маленьких или очень-очень маленьких. Новые измерения подтверждают тот факт, что протоны более миниатюрны, чем считалось ранее, сообщают исследователи в журнале Science.
До 2010 года радиус протона составлял около 0,88 фемтометра, или миллионные доли миллиардной доли метра. Но затем новый тип измерения — основанный на экзотических атомах, созданных из мюонов, тяжелых собратьев электронов, — получил новую цифру, зарегистрировав протон размером около 0,84 фемтометра.
Один из способов проверить радиус протона — измерить расстояние между уровнями энергии, на которых могут существовать атомы водорода, — различные состояния, в которых электрон атома несет определенное количество энергии. Эта разница в энергии зависит от размера протона.
Измеряя расстояние между двумя такими энергетическими уровнями, физик Эрик Хессельс из Йоркского университета в Торонто и его коллеги установили радиус около 0,83 фемтометра, что хорошо согласуется со значением 2010 года.
«Уровень точности, требуемый для определения размера протона, сделал это самым трудным измерением, которое когда-либо предпринимала наша лаборатория», — сказал профессор Эрик Хессельс, факультета физики и астрономии, который руководил исследованием. «После восьми лет работы над этим экспериментом мы рады записать такие высокоточные измерения, которые помогут решить загадочную проблему протонного радиуса».
Стремление решить головоломку с протонным радиусом имеет далеко идущие последствия для понимания законов физики, таких как теория квантовой электродинамики, которая описывает взаимодействие света и вещества.
Хессельс, который является международно-признанным физиком и экспертом в области атомной физики, говорит, что три предыдущих исследования имели решающее значение в попытке устранить несоответствие между электронными и мюонными определениями размера протонов.
Исследование 2010 года впервые использовало мюонный водород для определения размера протона по сравнению с предыдущими экспериментами, в которых использовался обычный водород. В то время ученые исследовали экзотический атом, в котором электрон заменен мюоном, более тяжелым родственником электрона. В то время как исследование 2017 года с использованием водорода согласилось с мюонным определением радиуса заряда протона в 2010 году, эксперимент 2018 года, также с использованием водорода, подтвердил значение до 2010 года.
Хессельс и его команда ученых провели восемь лет, сосредоточившись на решении головоломки о радиусе протона и понимании того, почему радиус протона принял другое значение при измерении мюонами, а не электронами.
Команда Йоркского университета изучала атомарный водород, чтобы понять отклоняющееся значение, полученное от мюонного водорода. Они провели высокоточное измерение, используя метод с разделением по частоте (FOSOF), который они разработали для этого измерения.
Этот метод является модификацией метода разделенных колебательных полей, который существует уже почти 70 лет. В их измерениях использовался быстрый пучок атомов водорода, созданный путем пропускания протонов через мишень для молекулярного газообразного водорода. Метод позволил провести электронное измерение радиуса протона, которое прямо аналогично мюонному измерению, полученному в исследовании 2010 года. Результат согласуется с меньшим значением, найденным в исследовании 2010 года.
«A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius» Science (2019). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aau7807