Новое измерение показывает меньший радиус протона
На протяжении уже долгого времени ведется научная дискуссия о размере протона. Ученые не могут согласиться с тем, насколько велика субатомная частица, но новое измерение только что показало сильный довод в пользу меньшего протона.
Изучая, как электроны рассеиваются с протонами, ученые с экспериментом PRad в Лаборатории Джефферсона в Ньюпорте, получили измерение радиуса протона равное ничтожным 0,83 фемтометра или миллионных долях миллиардной доли метра. Это примерно на 5 процентов меньше, чем принятый в настоящее время радиус, около 0,88 фемтометра.
Новый радиус добавляет еще больше неясности к путанице измерений, каждое из которых, кажется, попадает в один из двух лагерей — в пользу либо стандартного радиуса, либо чуть меньшего размера. С новым результатом PRad, «если угодно, головоломка радиуса протона стала еще более озадачивающей», — говорит физик Ниланга Лиянадж из Университета Вирджинии. Он представил результаты эксперимента на совместном заседании Отделения ядерной физики США и Физического общества Японии, которое состоялось на Гавайях.
Эксперимент, в котором электроны рассеиваются от протонов, содержащихся в водородном газе, улучшает результаты предыдущих экспериментов по рассеянию электронов-протонов, улавливая электроны, которые рассеиваются под углом всего 0,6 градуса. Такие электроны помогают определить размер протонов, зондируя самые внешние края протонов.
Небольшой радиус противоречит предыдущим измерениям электронного-протонного рассеивания, а также некоторым измерениям радиуса водорода, выполненным с использованием других методов. Однако результат все же является предварительным, считают исследователи. Требуется дополнительная работа до того, как результаты исследования будут представлены в научный журнал, и будут оценены другими исследователями.
«Это отличный результат; это тяжелый эксперимент », — говорит физик Ян Бернауэр из Университета Стоуни Брук в Нью-Йорке, который работал над более ранним измерением электронно-протонного рассеивания с командой ученых под названием «Сотрудничество A1». Тем не менее, он сказал, что «немного рано говорить что-либо» об истинных размерах протона.
В дополнение к электрон-протонному рассеиванию ученые используют два других метода для измерения размера протона. Один из методов, называемый водородной спектроскопией, использует лазеры для изучения энергетических уровней атома водорода.
Поскольку каждый атом водорода состоит из одного протона и одного электрона, энергетические уровни атомов зависят от того, насколько велик протон. Другой метод, введенный в 2010 году, аналогичен водородной спектроскопии, но электроны атомов водорода заменены для более тяжелого родственника электрона, называемого мюоном.
Радиус протона — важное свойство природы. И путаница в его размерах мешает ученым проводить другие эксперименты, такие как проверка теории квантовой электродинамики, которая описывает, как ведут себя свет и заряженные частицы.
Будущие эксперименты могут помочь разрешить разногласия, в том числе предстоящий эксперимент MUSE, который строится в Институте Пола Шеррера в Швейцарии, и будет рассеивать мюоны протонов. Но пока дискуссия продолжается.
N. Liyanage. Jefferson Lab Proton Radius (PRad) experiment. 5th Joint Meeting of the APS Division of Nuclear Physics and the Physical Society of Japan, Waikoloa, Hawaii, October 23, 2018.