Международная коллаборация физиков CREMA обнаружила новые указания на то, что в радиусе протона есть неопределенность. Исследователи проанализировали поведение мюонного дейтерия — частицы, в которой вокруг ядра из нейтрона и протона вращается мюон. Оказалось, что зарядовый радиус дейтрона — ядра дейтерия — меньше, чем было установлено в экспериментах с обычным, электронным дейтерием. Теория предсказывает, что радиус частиц постоянен.

Точно такая же пара экспериментов с водородом и его мюонным аналогом указала ранее на расхождение в радиусе протона. Эксперимент может указывать на один из двух вариантов: либо неверна теория, описывающая взаимодействия в атоме, либо в экспериментах есть ошибка. Исследование опубликовано в журнале Science.

Зарядовый радиус протона можно определить по тому, как эта элементарная частица взаимодействует с отрицательными зарядами. К примеру, для этого используют эксперименты по рассеянию электронов на протоне — чем больше радиус протона, тем больше электронов из пучка будет отклоняться от своего пути, — а также анализ электронных переходов в атоме водорода. По данным современных измерений, радиус составляет 0,877 фемтометра, примерно в миллион миллиардов раз меньше метра. 

Часть установки, использовавшейся для анализа Лэмбовского сдвига в мюонном водороде. Swiss Physical Society

В 2010 году группа физиков повторила измерения зарядового радиуса в системе с более тяжелым носителем отрицательного заряда — мюоным водородом. Мюон в 207 раз массивнее электрона и, в отличие от последнего, обладает временем жизни около двух микросекунд. Из-за большей массы мюона точность определения зарядового радиуса выше. В эксперименте ученые измеряли Лэмбовский сдвиг. 

Оказалось, что зарядовый радиус протона меньше, чем в ранних измерениях, и составляет 0,841 фемтометра. После уточнения данных физики обнаружили, что независимые измерения одной и той же величины отличаются на семь стандартных отклонений. Причина этого до сих пор неизвестна — согласно квантовой электродинамике, зарядовый радиус протона должен быть постоянной величиной.

В новой работе физики оценили зарядовый радиус другой, более массивной частицы — дейтрона (ядра атома дейтерия). По аналогии с протоном, ученые сравнивали Лэмбовские сдвиги в электронном и мюонном дейтерии. 

Лэмбовский сдвиг — разница в энергии между двумя электронными (или мюонными) состояниями в атоме, обозначаемыми 2S и 2P. Согласно простейшим квантово-механическим вычислениям, эти состояния должны быть равны по энергиям, однако на практике ученые обнаружили различия. Эти отличия связаны с взаимодействием электронов с флуктуациями вакуума, и по ним можно очень точно определить зарядовый радиус протона. В новых экспериментах с помощью лазера ученые изменяли состояния мюона в атоме.

Измеренный радиус дейтрона оказался, как и в случае протона, меньше, чем существующие оценки. При точности в 2,5 раза выше, чем в случае с электронным дейтерием, разница между рекомендованной величиной радиуса дейтрона и измеренной составила 7,5 сигма (стандартных отклонений). Даже по сравнению с измерениями радиуса только из Лэмбовского сдвига (без учета рассеяния электронов) величина отличается на 3,5 стандартных отклонения.

Результаты измерений зарядового радиуса дейтрона. Слева сверху — анализ нового эксперимента. CODATA-2010 — рекомендованная в физике величина. D-spectroscopy — радиус на основе анализа Лэмбовского сдвига электронного дейтерия, e-d scatt. — электронное рассеяние на дейтроне. Randolf Pohl et al. / Science, 2016

Физики сделали на основе измерений новую оценку зарядового радиуса протона. Она оказалась еще меньше, чем предыдущие: 0,8356 фемтометра. Стоит отметить, что погрешность этой величины выше, чем в предыдущих мюонных измерениях. 

Ученые отмечают, что для надежной проверки источников расхождений в радиусах протона необходимо провести дополнительные измерения. В частности, важную информацию можно получить из рассеяния мюонов на протонах — это должен проделать эксперимент MUSE, разрабатываемый на базе Института Пауля Шерера в Швейцарии.

Автор: Владимир Королёв