Новые высокоточные измерения радиуса протона позволили решить научную загадку десятилетней давности - «Наука и технологии»

Ученые достаточно долго были уверены, что им известно значение радиуса протона, полученное путем теоретических расчетов. Но в 2010 году группе физиков удалось произвести измерения реального радиуса протона, который оказался на четыре процента меньше, чем ожидалось. С того времени было проведено множество дополнительных исследований, направленных на выяснение того, какое же значение является истинным и почему возникла такая ощутимая разница между теорией и практикой? И эта загадка является одной из самых главных неразрешенных проблем фундаментальной физики на сегодняшний день.

Не так давно физики из Йоркского университета сделали новое измерение радиуса протона, которое позволило определить эту величину с высокой точностью. Полученное ими значение равно 0.833 фемтометра (одной триллионной доли миллиметра). И это значение приблизительно на пять процентов меньше, чем значение, принятое за основу в 2010 году.

Расчеты радиуса протона основаны на измерениях того, насколько далеко простирается электрическое поле, вырабатываемое положительным зарядом протона. "Требуемый уровень точности сделал все это самой трудной задачей, которую довелось решать нашей лаборатории за всю историю ее существования" - рассказывает профессор Эрик Хесселс (Eric Hessels), - "После восьми лет работы над этим экспериментом нам все же удалось записать данные необходимой точности, которые помогли решить "неуловимую" до последнего времени загадку".

Исследования, проведенные в 2010 году, стали первыми в истории, в которых для определения радиуса протона использовался так называемый мюонный водород. Этот водород представляет собой нечто вроде экзотического атома, в котором электрон заменен мюоном, более тяжелым "родственником" электрона. Подобные исследования были повторены в 2017 и в 2018 году, и все они дали данные, подтверждающие результаты эксперимента 2010 года.

Физики из Йорка, в отличие от этого, использовали атомы нормального водорода, а высокоточные измерения радиуса протона были произведены при помощи особой техники под названием FOSOF (frequency-offset separated oscillatory fields), которая была разработана именно для этой цели. В технике FOSOF используется луч из быстрых атомов водорода, разгоняемых лучом протонов, направленных на облако из молекулярного водорода. Она, эта техника, является модификацией техники SOF (separated oscillatory fields), которая используется физиками уже более 70 лет, и за разработку которой Норман Ф. Рэмси (Norman F. Ramsey) в свое время удостоился Нобелевской премии.

Результаты экспериментов, направленных на измерение радиуса протона, имеют далеко идущие последствия в научном мире. Они влияют на наше понимание законов фундаментальной физики, теории квантовой электродинамики, описывающей взаимодействие света и материи, и на множество других научных теорий, касающихся самых различных аспектов, имеющих отношение к материи, энергии и т.п.