25.01.2013

Протон может принудить физиков к пересмотру квантовой электродинамики

Протон — непременный элемент ядер атомов и, по сути, основа барионной (обычной) материи (в том виде, который нам известен). Достаточно напомнить, что порядковый номер химического элемента в периодической таблице и все его химические свойства полностью определяются зарядом ядра его атомов, который равен как раз количеству протонов в ядре. В этой связи понятен интерес научного сообщества к выяснению основных свойств этой частицы.

В 1960-х годах были произведены измерения радиуса протона на примере атомов обычного водорода. Они дали результат в 0,8768 ± 0,0069 фемтометра (фемтометр равен одной квадрилионной метра). В 2010 году такое же измерение было сделано с атомом водорода, в котором электрон заменили на мюон. И получилась другая цифра — 0,84184±0,00067 фм, что на 4% меньше.

Сначала, несколько упрощая, о методике. Протон не футбольный мяч со строго определённой «стенкой», к которой можно приложить линейку. Чтобы его измерить, используют взаимодействие протона в ядре атома водорода и электрона, взаимодействующего, в свою очередь, с ядром. Электрон же обращается вокруг протона по определённым атомным орбиталям — дискретным энергетическим уровням, часть которых зависит от размеров протона. Именно поэтому для измерения его радиуса и следят за электронами в атоме водорода.

Считалось, что использование вместо электрона мюона, который в 200 раз тяжелее и потому будет вращаться вокруг протона на более низкой орбитали, позволит точнее определить размер протона. Логика в этом есть: мюон вынужден теснее электрона взаимодействовать с протоном. Однако попытка такого рода, предпринятая три года назад в Институте квантовой оптики им. Макса Планка под руководством Альдо Антоньини (Aldo Antognini), физика из Швейцарской высшей технической школы Цюриха, привела не к ожидаемому росту точности (числа цифр после запятой), а к появлению принципиально другой оценки.

Неужели «жёлтая пресса», как всегда, раздувает? Ведь, казалось бы, четырёхпроцентная разница вряд ли заслуживает определения «принципиально иной оценки». Нет, всё именно так: расчёты квантовой электродинамики, считающейся одной из наиболее точных физических теорий, дают ошибки менее одной тысячной процента. А значит, итоги измерений 2010 года либо были неправильными, либо означали, что «неправильна» наша квантовая электродинамика.

И вот после трёх лет проверок тот же коллектив выяснил, что к истине ближе второй вариант. Радиус протона с мюоном (rE) равен 0,84087±0,00039 фм. Хотя точность оценки в сравнении с опытом 2010 года заметно возросла, разница с измерениями по электрону никуда не делась и значительно превышает возможную инструментальную ошибку.

Как отмечают авторы исследования, это лишний раз усиливает загадку протонного радиуса. Приведёт ли это к пересмотру квантовой электродинамики?

Вообще говоря, у этого варианта развития событий есть альтернатива, то есть даже две: или в двух последних экспериментах с мюонами, или в измерениях с электронами была допущена невидимая миру ошибка. Многочисленные перепроверки делают эту гипотезу, прямо скажем, не очень-то доказуемой. Итак, возможно, группа Антоньини непреднамеренно открыла новую физику. Пока только она использовала мюон для измерения размеров протона, и существует слабая, но всё же резонная вероятность того, что сей мюон взаимодействует с протоном как-то иначе, чем электрон. Причём это «как-то иначе» должно быть предельно малым, иначе его уже обнаружили бы на Большом адронном коллайдере.

Правда, многие физики сомневаются. Современные воззрения не дают повода для подозрений в том, что мюон взаимодействует с протоном не так, как это делает электрон. С другой стороны, если эксперименты и их интерпретация не содержат ошибок (а их пока не нашли), то альтернатив такому варианту не видно.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Science.

Подготовлено по материалам Nature News.

Александр Березин

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА