Учёный мир пребывал в недоумении и потратил более шести лет, чтобы объяснить это несоответствие. Новая работа ещё больше спутала карты, подтвердив, что реальный размер протона меньше, чем говорят расчёты, основанные на законах физики.
Отметим, что протон не имеет каких-либо чётко различимых границ, поэтому его размеры можно определить лишь по взаимодействию с вращающимися вокруг него частицами (например, электронами). В качестве основного объекта для вычисления диаметра этой положительно заряженной частицы традиционно выступал атом водорода.
Простейший химический элемент состоит из одного протона и одного электрона. При этом электрон вращается вокруг протона на строго определённом расстоянии в зависимости от энергетического уровня. Электрон может перемещаться с одного уровня на другой, поглощая или выделяя энергию в виде фотонов света. Измеряя энергию фотонов, исходящих от возбуждённого атома водорода, физики могут определить допустимое положение орбиталей, и на основании законов квантовой физики рассчитать расстояние от них до протона.
Впервые такие измерения были проведены в 1960-х годах. С тех пор считалось, что радиус протона равен 0,8768 фемтометра или менее одной триллионной миллиметра.
Проблемы начались после того, как о результатах своих измерений заговорила группа физиков, работающих под руководством Рандольфа Поля (Randolf Pohl) из Института квантовой оптики Макса Планка. Учёные с помощью ускорителя элементарных частиц бомбардировали атомы водорода мюонами. В результате эти нестабильные элементарные частицы, которые в двести раз тяжелее электронов и также имеют отрицательный заряд, вытеснили электроны, заняв их места. Из-за большей массы мюон вращается гораздо ближе к протону и более чувствителен к его диаметру. Поэтому измерения, основанные на таком взаимодействии, гораздо точнее.
В 2010 году Поль и его коллеги впервые опубликовали уточнённый размер протона, равный 0,84184 фемтометра. В обычной жизни разница в 0,00000000000003 миллиметра практически неощутима, но только не в вопросах квантовой физики, где погрешность обычно не превышает долей процента.
Два года спустя та же команда исследователей провела повторные исследования. Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Science, учёные также получили мюонные атомы водорода, но на этот раз с помощью лазера переводили тяжёлые отрицательные частицы на другие орбитали, чтобы сделать расчёты на основании нового набора энергетических уровней.
Учёные утверждают, что последние измерения были на порядок точнее, чем в 2010 году. Однако диаметр протона оказался равен 0,8408 фемтометра, что почти полностью соответствует предыдущему результату.
Однако физики так и не нашли точного ответа на вопрос: откуда взялась разница в 4%? В октябре 2012 года в Италии прошёл специальный семинар, в котором приняли участие 50 экспертов по протонам со всего мира. В результате специалисты сошлись во мнении, что между электронами и мюонами существуют некоторые различия, которые находятся вне стандартных физических моделей. Именно они влияют на получаемый результат.
Учёные надеются, что разгадка тайны будет найдена в течение последующих двух-трёх лет. Возможно, что-то прояснится после экспериментов с измерением энергетических уровней в мюонных атомах гелия, которые планируется провести в ближайшие два года.
Физики из Германии и России провели точные измерения размеров протона, и их результат оказался значительно меньше полученного в большинстве других измерений и расчетов. Подробности исследования опубликованы в журнале Science.
Последние эксперименты русско-германской группы показали, что такие же результаты можно получить и для «обычного» водорода. В своем исследовании ученые направляли на атомы водорода, содержащие электроны, два луча лазера. Один из них приводил электроны в возбужденное состояние, второй переводил их на орбиталь с еще большей энергией. После этого ученые фиксировали фотоны, которые испускал атом, когда электроны переходили обратно на орбиталь с более низкой энергией.
Полученные данные ученые сопоставили с более ранними измерениями, чтобы вычислить постоянную Ридберга. Она описывает количество энергии, необходимое, чтобы «оторвать» электрон от ядра атома водорода. Из этой константы можно вычислить радиус протона. Полученное значение соответствовало результату экспериментов с мюонным атомом и было на 5% меньше общепринятого значения.
Это исследование может стать первым шагом на пути к разрешению загадки различия вычисленных размеров протона. Однако перед этим, как подчеркивают авторы работы, необходимо получить подтверждение результата от другой научной группы. На проверку своих результатов авторы этих экспериментов уже потратили три года.
