Головна » 2013 » Січень » 27 » Вчені підтвердили, що розмір протона менший, ніж вважалося раніше
20:59
Вчені підтвердили, що розмір протона менший, ніж вважалося раніше
У 2010 році німецькі фізики в своїй роботі зробили висновок, що діаметр протона на 4% менший, ніж передбачалося раніше. Тоді відкриття наробило чимало галасу. Цікаво, якою тепер буде реакція вчених, адже та ж команда дослідників підтвердила свої результати новими експериментами.
Одна з найпоширеніших частинок у Всесвіті - протон - виявилася одним з головних збурювачів спокою в світі фізики. Ще в 2010 році в журналі Nature були опубліковані результати дослідження, що показали, що діаметр цієї фундаментальної складової атомного ядра на 4% менший, ніж думали раніше.
Вчений світ перебував у подиві і витратив більше двох років, щоб пояснити цю невідповідність. Нова робота ще більше сплутала карти, підтвердивши, що реальний розмір протона менший, ніж говорять розрахунки, засновані на законах фізики.
Відзначимо, що протон не має чітко помітних кордонів, тому його розміри можна визначити лише по взаємодії з обертовими навколо нього частками (наприклад, електронами). В якості основного об'єкта для обчислення діаметра цієї позитивно зарядженої частинки традиційно виступав атом водню.
Найпростіший хімічний елемент складається з одного протона й одного електрона. При цьому електрон обертається навколо протона строго на певній відстані в залежності від енергетичного рівня. Електрон може переміщатися з одного рівня на інший, поглинаючи або виділяючи енергію у вигляді фотонів світла. Вимірюючи енергію фотонів, що виходять зі збудженого атома водню, фізики можуть визначити допустиме положення орбіталей, і на підставі законів квантової фізики розрахувати відстань від них до протона.
Вперше такі вимірювання були проведені в 1960-х роках. З тих пір вважалося, що радіус протона дорівнює 0,8768 фемтометра або менше однієї трильйонної міліметра.
Проблеми почалися після того, як про результати своїх вимірів заговорила група фізиків, що працюють під керівництвом Рандольфа Поля (Randolf Pohl) з Інституту квантової оптики Макса Планка. Вчені за допомогою прискорювача елементарних частинок бомбардували атоми водню мюонами. В результаті ці нестабільні елементарні частинки, які у двісті разів важчі від електронів і також мають негативний заряд, витіснили електрони, зайнявши їх місця. Через більшу масу мюон обертається набагато ближче до протона і більш чутливий до його діаметру. Тому вимірювання, засновані на такій взаємодії, набагато точніші.
У 2010 році Поль і його колеги вперше опублікували уточнений розмір протона, рівний 0,8418 фемтометра. У звичайному житті різниця в 0,00000000000003 міліметра практично невідчутна, але тільки не в питаннях квантової фізики, де похибка зазвичай не перевищує часток відсотка.
Два роки опісля та ж команда дослідників провела повторні дослідження. Як повідомляється в статті, опублікованій в журналі Science, вчені також отримали мюонні атоми водню, але на цей раз за допомогою лазера переводили важкі негативні частинки на інші орбіталі, щоб зробити розрахунки на підставі нового набору енергетичних рівнів.
Вчені стверджують, що останні виміри були на порядок точніші, ніж у 2010 році. Однак діаметр протона виявився дорівнює 0,8408 фемтометра, що майже повністю відповідає попереднього результату.
Однак фізики так і не знайшли точної відповіді на питання: звідки взялася різниця в 4%? У жовтні 2012 року в Італії пройшов спеціальний семінар, в якому взяли участь 50 експертів із протонів з усього світу. В результаті фахівці зійшлися на думці, що між електронами і мюонами існують деякі відмінності, які знаходяться поза стандартних фізичних моделей. Саме вони впливають на одержуваний результат.
Вчені сподіваються, що розгадка таємниці буде знайденою протягом наступних двох-трьох років. Можливо, щось проясниться після експериментів з вимірюванням енергетичних рівнів в мюонним атомах гелію, які планується провести в найближчі два роки.
