Новое измерение, похоже, устранило аномалию, которая завораживала физиков на протяжении почти десяти лет.
В 2010 году немецкие физики сообщили, что им удалось исключительно точно определить размер протона — положительно заряженной элементарной частицы, входящей в состав атомных ядер. Результат оказался загадочным.
Рандольф Поль (Randolf Pohl) из Института квантовой оптики общества Макса Планка (нем. Max-Planck-Institut für Quantenoptik) и его коллеги измерили протон с помощью специальных атомов водорода, где место электрона, вращающегося вокруг протона, занимает мюон — частица, которая идентична электрону, но тяжелее его в 207 раз. Команда Поля обнаружила, что протоны с мюонами на орбите имеют радиус 0,84 фемтометра, что на 4% меньше, чем среднее значение, полученное для обычного водорода в результате более чем двух десятков измерений, проведённых в прошлом.
Если бы указанная разница имела объективный характер, другими словами — если бы в присутствии мюонов протоны действительно уменьшались в размере, то это означало бы фундаментальное открытие: обнаружение неизвестного физического взаимодействия между протонами и мюонами. За прошедшие с тех пор годы были написаны сотни статей с рассуждениями на данную тему.
Однако надежды на то, что «загадка радиуса протона» потрясёт основы физики элементарных частиц и приведёт к открытию новых законов природы, ныне развеяны в пух и прах новым измерением, результаты которого опубликованы 6 сентября в журнале Science.
После проведённого Полем девять лет назад измерения мюонного водорода команда физиков во главе с Эриком Хессельсом (Eric Hessels) из Йоркского университета (York University) в Торонто решила заново измерить протон в обычном, «электронном» водороде. В конце концов, это удалось: Хессельс и его коллеги установили, что протон имеет радиус 0,833 фемтометра плюс-минус 0,01 — результат, точно соответствующий полученному Полем. По сравнению с обоими этими измерениями, точность ранее проведённых измерений ниже, и это вынуждает сделать вывод, что протон не меняет свой размер в зависимости от контекста исследований; скорее, всё дело в ущербности старых измерений с использованием электронного водорода.
Поль назвал открытие Хессельса, о котором узнал (в форме предварительных выводов) на семинаре, проходившем ещё летом 2018 года, «фантастическим результатом», несмотря на то, что из него «вытекает весьма прозаическое объяснение» загадки радиуса протона.
Похожую оценку дал своему открытию Хессельс. По его словам, он и его коллеги были очень рады тому, что полученный ими результат «совпадает с результатом очень точного измерения, проведённого в мюонном водороде», пусть их открытие и имеет несколько кислый привкус. «Мы понимаем, что все законы физики пока не установлены, — добавил он, — а раз так, нужно упорно и тщательно исследовать всё, что помогает идти по этому пути».
Исследование радиуса протона не было рутинной работой. Чтобы определить его значение, Хессельсу и его коллегам пришлось измерять лэмбовский сдвиг — разницу между первым и вторым уровнями энергии возбуждённого водорода, которые называют состояниями 2S и 2P. Как вспоминает Хессельс, желание провести измерение лэмбовского сдвига появилось у него ещё в 80-х годах ХХ века, когда он был студентом, и, наконец, благодаря загадке радиуса протона у него появился стимул. «Это чрезвычайно сложное измерение, — подчеркнул он, — и, чтобы им заняться, нужна была веская причина».
Каким образом лэмбовский сдвиг, получивший название в честь американского физика Уиллиса Лэмба (Willis Lamb), который первым попытался измерить его в 1947 году, позволяет определить радиус протона? Вращаясь в состоянии 2S вокруг ядра атома водорода, электрон часть своего времени проводит внутри протона (а это — сгусток частиц, называемых кварками и глюонами, с большим количеством пустого пространства). Когда электрон находится внутри протона, тот благодаря своему положительному заряду растягивает электрон в противоположных направлениях, частично теряя свою силу. В результате величина электрического притяжения между протоном и электроном становится меньше, уменьшая энергию, которая обеспечивает целостность атома. Чем больше протон, тем больше времени электрон находится внутри него и тем слабее связан с ним, а значит, тем легче отскакивает.
Пустив луч лазера в облако газообразного водорода, Хессельс и его команда заставили электроны перейти из состояния 2S в состояние 2P, при котором электрон никогда не перекрывает протон. Определение энергии, необходимой электрону для совершения такого перехода, показало, насколько слабо он связан в состоянии 2S, когда частично попадает внутрь протона. А это прямо говорит о размере последнего.
В 2010 году Поль действовал похожим образом, определяя радиус протона с помощью лэмбовского сдвига мюонного водорода. Но поскольку мюон тяжелее электрона, в состоянии 2S он прижимается к протону плотнее. Это означает, что он дольше находится внутри протона, делая лэмбовский сдвиг в мюонном водороде в несколько миллионов раз более чувствительным к радиусу протона, чем в нормальном водороде.
Работавшему с нормальным водородом, Хессельсу, чтобы выяснить точное значение радиуса протона, пришлось измерять разность энергий между 2S и 2P с точностью до миллионных долей.
Согласно результату, полученному Хессельсом, в ходе более ранних попыток измерить радиус протона в электронном водороде проявилась тенденция завышать истинное значение. Почему — неясно. Чтобы сохранить загадку радиуса протона, можно и дальше проводить подобные исследования, пытаясь улучшить последнее измерение или показать путём верификации его ложность, но Хессельс свою работу закончил. «Мы демонтируем наш аппарат», — заявил он.
