Протон – элементарная частица, один из важнейших составных кирпичиков вещества. Именно из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов состоят атомные ядра, вокруг которых обращаются отрицательно заряженные электроны – так устроены атомы, из которых складывается почти все, что находится во Вселенной. Сам по себе протон, как и атом, совсем не похож на шарик для пинг-понга. На самом деле он в свою очередь состоит из трех еще более мелких частиц – кварков. Сложная внутренняя организация протона не дает возможности говорить о его определенной границе, какая была бы у шарика, а значит, и о метрических размерах, однако экспериментально можно вычислить так называемый зарядовый радиус протона, который определяется как среднеквадратичный радиус распределения его заряда – расстояние, на котором плотность заряда падает ниже определенной величины.
Понимать это определение не обязательно, но эта довольно специальная величина неожиданно приобрела чрезвычайную важность и может пошатнуть кое-какие казавшиеся незыблемыми устои. Несколько дней назад в журнале Science была опубликована статья, как раз описывающая вычисление зарядового радиуса протона. Международная коллаборация ученых из нескольких швейцарских и немецких институтов поставила на циклотроне института Поля Шеррера в Виллигене (Швейцария) эксперимент, показавший, что радиус протона незначительно, всего на 4 процента меньше, чем было принято считать. Поскольку протоны очень малы, эта разница совсем уж крошечная, всего 0,035 фемтометра, то есть 0,00000000000000035 метра.
Вычисления подобных величин в современной физике чрезвычайно точны. Ошибка в них не превышает даже этой фемтоскопической величины, она по крайней мере на один-два порядка ниже. На протяжении нескольких десятилетий опыты давали (зарядовый) размер протона, равный 0,877 фемтометра. Впервые отличное от этого значение в 0,84184 фемтометра было получено в 2010 году, но в тот раз никто просто не мог поверить, что эксперимент был поставлен без ошибок, это выглядело почти так же невероятно, как если бы недавнее заявление итальянских физиков об обнаружении двигающихся быстрее скорости света нейтрино оказалось правдой. Теперь, однако, опыт повторен, размер протона удалось вычислить еще точнее, и результат 2010 года подтвердился.
Стандартный способ измерить зарядовый радиус протона использует свойство взаимодействия электрона и протона в состоящем из них атоме водорода. Электрон в этом простейшем атоме может занимать только определенные орбиты (правильно говорить – орбитали), в зависимости от энергетического уровня. Раздел физики под названием квантовая электродинамика позволяет вычислить зарядовый радиус протона, сравнивая эти уровни, которые можно вычислить экспериментально. В новом опыте аналогичные расчеты проводились с экзотическим вариантом атома водорода, в котором электрон был искусственно заменен на очень похожую, но более тяжелую частицу – мюон. Из-за разницы в массе орбиты мюона намного ближе к протону, что позволяет сделать более точное вычисление радиуса последнего. Но все же увеличение точности никаким образом не могло дать отличие в 4 процента.
Авторы говорят о трех возможных объяснениях этого удивительного феномена. Во-первых, оба эксперимента с мюонами – трехлетней давности и недавний – могли содержать ошибки, хотя опыты были проведены независимо и дали с огромной точностью одинаковые результаты. Во-вторых, ошибочными могли быть классические вычисления с использованием обычных атомов водорода – сейчас несколько групп ученых готовятся повторить старые эксперименты, чтобы убедиться в этом. Наконец, третьим, наиболее заманчивым – и вполне вероятным – объяснением может оказаться физический эффект, о котором науке не было известно. Возможно, электрон взаимодействует с протоном иначе, чем мюон, и это влияет на радиус протона. Это может означать существование еще одной частицы (или частиц), о которой мы просто не имели представления. Частицы, которая не укладывается в стандартную модель и открытие которой помогло бы разгадать некоторые загадки, например, из чего состоит темная материя.
Чрезвычайно насыщенная научными открытиями первая половина прошлого века дала нам большинство сегодняшних представлений о мире – и в самом большом, и в самом малом его масштабах. Но в тот момент, когда картина устройства материи благодаря открытию бозона Хиггса особенно близка к завершению, природа шлет настойчивые сигналы: основы теории должны быть пересмотрены, пазл сложен по-другому. Благодаря крохотному отличию в по-разному рассчитанных радиусах протона мы можем в ближайшие годы стать свидетелями открытий не менее фундаментальных, чем сделанные сто лет назад Планком, Бором, Резерфордом и Эйнштейном.
Понимать это определение не обязательно, но эта довольно специальная величина неожиданно приобрела чрезвычайную важность и может пошатнуть кое-какие казавшиеся незыблемыми устои. Несколько дней назад в журнале Science была опубликована статья, как раз описывающая вычисление зарядового радиуса протона. Международная коллаборация ученых из нескольких швейцарских и немецких институтов поставила на циклотроне института Поля Шеррера в Виллигене (Швейцария) эксперимент, показавший, что радиус протона незначительно, всего на 4 процента меньше, чем было принято считать. Поскольку протоны очень малы, эта разница совсем уж крошечная, всего 0,035 фемтометра, то есть 0,00000000000000035 метра.
Вычисления подобных величин в современной физике чрезвычайно точны. Ошибка в них не превышает даже этой фемтоскопической величины, она по крайней мере на один-два порядка ниже. На протяжении нескольких десятилетий опыты давали (зарядовый) размер протона, равный 0,877 фемтометра. Впервые отличное от этого значение в 0,84184 фемтометра было получено в 2010 году, но в тот раз никто просто не мог поверить, что эксперимент был поставлен без ошибок, это выглядело почти так же невероятно, как если бы недавнее заявление итальянских физиков об обнаружении двигающихся быстрее скорости света нейтрино оказалось правдой. Теперь, однако, опыт повторен, размер протона удалось вычислить еще точнее, и результат 2010 года подтвердился.
Стандартный способ измерить зарядовый радиус протона использует свойство взаимодействия электрона и протона в состоящем из них атоме водорода. Электрон в этом простейшем атоме может занимать только определенные орбиты (правильно говорить – орбитали), в зависимости от энергетического уровня. Раздел физики под названием квантовая электродинамика позволяет вычислить зарядовый радиус протона, сравнивая эти уровни, которые можно вычислить экспериментально. В новом опыте аналогичные расчеты проводились с экзотическим вариантом атома водорода, в котором электрон был искусственно заменен на очень похожую, но более тяжелую частицу – мюон. Из-за разницы в массе орбиты мюона намного ближе к протону, что позволяет сделать более точное вычисление радиуса последнего. Но все же увеличение точности никаким образом не могло дать отличие в 4 процента.
Авторы говорят о трех возможных объяснениях этого удивительного феномена. Во-первых, оба эксперимента с мюонами – трехлетней давности и недавний – могли содержать ошибки, хотя опыты были проведены независимо и дали с огромной точностью одинаковые результаты. Во-вторых, ошибочными могли быть классические вычисления с использованием обычных атомов водорода – сейчас несколько групп ученых готовятся повторить старые эксперименты, чтобы убедиться в этом. Наконец, третьим, наиболее заманчивым – и вполне вероятным – объяснением может оказаться физический эффект, о котором науке не было известно. Возможно, электрон взаимодействует с протоном иначе, чем мюон, и это влияет на радиус протона. Это может означать существование еще одной частицы (или частиц), о которой мы просто не имели представления. Частицы, которая не укладывается в стандартную модель и открытие которой помогло бы разгадать некоторые загадки, например, из чего состоит темная материя.
Чрезвычайно насыщенная научными открытиями первая половина прошлого века дала нам большинство сегодняшних представлений о мире – и в самом большом, и в самом малом его масштабах. Но в тот момент, когда картина устройства материи благодаря открытию бозона Хиггса особенно близка к завершению, природа шлет настойчивые сигналы: основы теории должны быть пересмотрены, пазл сложен по-другому. Благодаря крохотному отличию в по-разному рассчитанных радиусах протона мы можем в ближайшие годы стать свидетелями открытий не менее фундаментальных, чем сделанные сто лет назад Планком, Бором, Резерфордом и Эйнштейном.
