Вопрос, который ставил в тупик физиков в течение девяти лет, разрешился простейшим возможным ответом.
Ключевые выводы
- Поразительный результат девятилетней давности заставил физиков задуматься.
- Протоны, мюоны и водород могли быть пойманы на чем-то неожиданном.
- Невероятно точное новое исследование окончательно решает загадку.
Когда Рэндольф Поль из Института квантовой оптики имени Макса Планка в 2010 году приступил к измерению радиуса протона, он почти знал, чего ожидать. Десятки предыдущих измерений пришли к 0.8751 фенометр, или fm (квадриллионная доля метра). Представьте себе его удивление, когда его размер оказался на 4% меньше: 0,84087 фм. Поль заменил электрон, использовавшийся в предыдущих исследованиях, мюоном, поэтому вывод заключался в том, что присутствие мюона каким-то образом сжимало протон. Это было бы очень важным событием, новым и неожиданным взаимодействием, требующим переосмысления физики элементарных частиц. Действительно, физики пытаются разгадать так называемую «головоломку о радиусе протона» уже почти 10 лет в сотнях статей. Согласно статье, опубликованной в этом месяце в журнале Science, исследование Эрика Хесселса из Йоркского университета в Торонто показывает, что более ранние измерения были просто ошибочными. Никогда, как говорится, не возражайте.
Измерение протонов
Процесс измерения протонов чрезвычайно сложен, а используемые технологии со временем стали гораздо более чувствительными, поэтому не так уж сильно вас удивит, узнав, что прежнее значение радиуса протона оказалось равным выкл - то 0.8751 цифра является средним значением, полученным из десятков измерений.
При измерении протона ключевым фактором является взаимодействие протона с электроном, который вращается вокруг него. Орбита - это не тот простой круговой путь, который мы видим в нашей Солнечной системе. Бывают моменты, когда путь электрона пересекается с протоном, и поэтому электрон частично находится внутри него, связанный с ним и перемещающийся в вакууме между кварками и глюонами, из которых состоит протон.
Когда электрон частично находится внутри протона, это называется 2S-состоянием электрона. В это время собственный заряд протона падает, поскольку кинетическая энергия и потенциальная энергия борются друг с другом за контроль над электроном, притягивая его вперед и назад и ослабляя его связь с протоном. По мере уменьшения связи увеличивается собственная энергия электрона, так как меньше ее расходуется на связь с протоном.
В конце концов, связь между протоном и электроном становится настолько слабой, что электрон перескакивает обратно за пределы протона, входя в его 2P-состояние. Энергия электрона немного падает в состоянии 2P, поскольку ему приходится тратить больше энергии, чтобы оставаться связанным со своим теперь отдельным протоном.
Разница между зарядами 2S и 2P называется «лэмбовским сдвигом» в честь Уиллиса Лэмба, который пытался измерить его в 1947 году. Он представляет собой количество энергии, которое электрон тратит на то, чтобы ускользнуть от протона, обнаруживая прочность связи протона в состоянии 2S электрона. Размер протона составляет менее 0,01% лэмбовского сдвига, поэтому требуются чрезвычайно точные измерения, но чем больше протон, тем сильнее его влияние.
Чтобы создать лэмбовский сдвиг для измерения, физики запускают лазеры в газообразный водород, чтобы заставить электроны его атомов перейти из состояния 2S в состояние P. Обычно они используют водород из-за простой архитектуры его атомов: протон и всего один электрон. Это (несколько) упрощает измерения, поскольку множественные электроны других элементов допускают потенциально сложные взаимодействия, которые также необходимо измерять и учитывать.
Эрик Хесселс и измерительный прибор
Мюоны и электроны наконец согласны
Когда Поль получил свой неожиданный результат в 2010 году, он использовал специальные атомы водорода, в которых электрон был заменен мюоном. Мюоны - это частицы, созданные при распаде пионов в атмосфере, очень похожие на электроны, но с некоторыми ключевыми отличиями. Во-первых, они существуют всего исчезающе быстро - 10-6 секунд, после чего распадаются, как правило, на электрон, электрон-антинейтрино и мюонное нейтрино. Однако наиболее важным для измерения протонов является то, что они примерно в 200 раз больше массы электрона.
Вот почему Поль использовал их в своих измерениях. Поскольку мюоны намного тяжелее электронов и более тесно вращаются вокруг своих протонов, они будут дольше оставаться в своем 2S-состоянии, а на лэмбовский сдвиг больше будет влиять размер протона, чем в обычном, или «электронном», состоянии. водород.
Новые измерения Хесселса и его коллег использовали электронный водород вместо мюонного водорода для получения их нового радиуса: 0.833 фм, по сути, то же самое, что и 0,834 Поля с приемлемой погрешностью. Разработанная ими методика позволила им измерить лэмбовский сдвиг в миллионных долях. «После восьми лет работы над этим экспериментом мы рады зарегистрировать такое высокоточное измерение, которое помогает решить неуловимую загадку протонного радиуса», - говорит Хесселс yFile York.
Пол, который, должно быть, за последнее десятилетие время от времени задавался вопросом, не ошибся ли он, похвалил новое измерение Хесселса, как сообщается, назвав его «фантастическим результатом». Получив один балл по бритве Оккама, он ценит то, что новое исследование «указывает на самое приземленное объяснение».
Таким образом, сбивающая с толку тайна, оказывается, не была проблемой с самого начала. Это хорошая новость для тех, кто ищет подтверждение тому, что физики действительно знают то, что, как им кажется, они знают о взаимодействии частиц, и плохая новость для тех, кто надеется найти причину, чтобы разрушить часто сбивающие с толку теории физики элементарных частиц. Собственный подход Хесселса к разрешению такого мучительного несоответствия лежит где-то посередине: «Мы знаем, что еще не понимаем всех законов физики, поэтому мы должны искать все эти вещи, которые могут дать нам подсказки.”