Мюон и электрон взаимодействует с протоном по-разному?

Измерение протона породило новую физику

Группа немецких физиков, которая решила всего-навсего более точно измерить радиус протона, сама того не ожидая, открыла новую физику. Дело в том, что ученые использовали для измерений не электрон, как это делали их предшественники, а более тяжелую отрицательно заряженную частицу — мюон. Однако результаты измерений оказались совершенно другими…

Фото:

Измерить протон обычным для нас способом, приложив к нему какую-нибудь линейку (пусть даже очень маленькую), совершенно невозможно. Хотя эту частицу, как и все остальные, на схемах в учебниках и изображают шариком, на самом деле она таковым не является. Строго говоря, у протона нет не только четкой формы, но и жестких границ. Так что привычные нам методы измерения к нему неприменимы.

Поэтому обычно диаметр протона определяют следующим образом — берут атом водорода, который представляет собой ядро, состоящее всего лишь из одного протона и вращающегося вокруг электрона, и наблюдают за их взаимодействием. Как мы помним из курса физики, электрон обращается вокруг ядра только лишь по определенным атомным орбиталям — дискретным энергетическим уровням. Так вот, диаметр этих орбиталей зависит от свойств самого ядра, в том числе и от его величины. А если ядром является один протон, то, производя, расчеты диаметра орбиталей, можно вычислить его размеры.

Читайте также: Снилась ли Эйнштейну прыть нейтрино

Поскольку из протонов (ну и нейтронов тоже) состоят ядра всех атомов, то ученым весьма важно знать его основные характеристики — без этого невозможно предсказывать многие процессы, происходящие в веществе на микроуровне. Поэтому первые попытки измерить радиус протона были предприняты еще в 60-х годах прошлого века. Ученые действовали описанным выше способом и в результате выяснили, что таковой равен 0,8768 ± 0,0069 фемтометра (фемтометр равен одной квадрилионной части метра).

Однако со временем физики решили уточнить эту величину. В качество нового "измерительного прибора" была выбрана другая частица — мюон, который также имеет отрицательный заряд (то есть может спокойно вращаться вокруг протонного ядра), однако при этом он в в 207 раз тяжелее электрона. Последнее обстоятельство говорит о том, что мюон, если заменить им электрон в атоме водорода, будет вращаться вокруг его ядра на более низкой орбитали. А это, в свою очередь, позволит точнее определить размер самого протона.

Подобный эксперимент был проведен в 2010 году в Институте квантовой оптики им. Макса Планка группой ученых под руководством физика из Швейцарской высшей технической школы Цюриха Альдо Антоньини. Электрон в атоме водорода заменили на мюон и проследили, по каким орбиталям он вращался. Результат получился, можно сказать, сенсационный — согласно новым данным, радиус протона теперь равнялся 0,84184 ± 0,00067 фм, то есть размер частицы оказался на 4 процента меньше.

Следует заметить, что эта, на первый взгляд, не особенно большая разница поставила на уши не только физиков, но и такую дисциплину, как квантовая электродинамика. Ведь, согласно ей, мюон должен взаимодействовать с протоном точно так же, как электрон. И расчеты, выполненные в соответствии с ее законами, считаются наиболее точными в физике — они дают ошибки менее одной тысячной процента! То есть разницу в размере, конечно же, ожидали, однако исключительно в виде большего количества цифр после запятой. Ученые рассчитывали, что измерения с помощью мюона просто будут более точными, но никто и не подозревал, что они смогут привести к другому результату.

Целых три года группа Антоньини проверяла свои расчеты — ученые сначала решили, что была просто ошибка в вычислениях. Кроме того, они провели еще несколько аналогичных экспериментов и опять подсчитали радиус протона. Однако в итоге пришлось признать, что в эксперименте 2010 года все было сделано правильно. Сейчас известно более точное значение этого радиуса — оно составляет0,84087 ± 0,00039 фм. Эти цифры достаточно близки к таковым, полученным три года назад, однако по-прежнему далеки от результатов измерений, сделанных при помощи электрона.

Интересно, что эти эксперименты и их интерпретацию проверяли и другие физики, однако никто из них пока не смог обнаружить ошибку. Но если ее нет, то получается, что ученые из группы Антоньини открыли не много не мало, а… новую квантовую физику! Проще говоря, из их опытов следует, что между протоном и мюоном существует некий неизвестный тип взаимодействия, которое не проявляется при контакте ядерной частицы с электроном. Причем переносчик этого взаимодействия настолько мал, что его пока невозможно обнаружить в экспериментах на Большом адронном коллайдере.

Но что это может быть? Увы, у ученых нет на это четкого ответа. В то же время физики отмечают, что современные воззрения не дают повода для подозрений в том, что мюон взаимодействует с протоном не так, как это делает электрон. Собственно говоря, это невозможно с точки зрения общепринятой Стандартной модели. Однако если такое происходит, может быть, она уже устарела?

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"