Протон (элементарная частица). Спектроскопия мюонного дейтерия обострила проблему с радиусом протона В ожидании революции

2012, Vol. 35, No. 4, P. 349 – 363.

УДК 539.1 + 53.081.6 + 539.125.4

Радиус протона в самосогласованной модели

Федосин Сергей Григорьевич

г. Пермь, Пермский край, Россия

e - mail intelli @ list . ru

Исходя из представления о сильной гравитации, действующей на уровне элементарных частиц, и из равенства магнитного момента протона предельному магнитному моменту вращающегося неоднородно заряженного шара, находится радиус протона, согласующийся с экспериментальными данными. Одновременно выводится зависимость распределения плотности массы и заряда внутри протона. Отношение плотности в центре протона к средней плотности получается равным 1,57.

Ключевые слова: сильная гравитация; волны де Бройля; магнитный момент; радиус протона.

PACS: 12.39.Pn, 14.20.Dh

1. Введение

С момента открытия протона в 1917 году возник вопрос о том, как определить радиус этой элементарной частицы. Существует немало теоретических моделей для оценки радиуса протона. Большинство из этих моделей связано с представлением об электромагнитных форм-факторах как поправках, за счёт которых амплитуда рассеяния частиц на протоне отличается от амплитуды рассеяния на точечной частице. Расчёт форм-факторов достаточно сложный и требует учёта множества факторов, среди которых радиальное распределение плотности заряда и магнитного момента, динамика кварков, партонов и виртуальных частиц. При этом могут использоваться различные подходы – теория рассеяния, киральная теория возмущений, решёточная квантовая хромодинамика и т.д., описание которых можно найти в , . Форм-факторы определяются из экспериментов по рассеянию, зависят от энергии взаимодействующих частиц и позволяют найти среднеквадратичные распределения заряда и магнитного момента как меры размеров частиц. Информация о радиусе протона может быть извлечена из анализа сдвига Лэмба в атоме водорода, а также в связанной системе из протона и отрицательного мюона .

2. Другие оценки радиуса протона

Рассмотрим некоторые простые методы определения радиуса протона. Один из них основан на том, что в частицах при их возбуждении возникают стоячие электромагнитные волны. Максимальная энергия таких стоячих волн не превышает энергии покоя во избежание распада частиц. Отсюда выводится, что волны де Бройля являются электромагнитными колебаниями, обнаруживаемыми в лабораторной системе отсчёта при взаимодействии движущихся частиц. Для описания таких колебаний необходимо применить преобразования Лоренца к стоячим волнам внутри частиц и найти их вид в лабораторной системе отсчёта , .

В простейшем случае стоячие сферические волны моделируются двумя волнами, одна из которых бежит от центра к поверхности частицы, а другая в то же время движется обратно. Можно считать, что в направлении какой-либо выделенной оси, например , имеются две встречные волны следующего вида:

здесь , − начальные фазы колебаний при , − амплитуда периодической функции, и обозначают угловую частоту и волновое число, а штрихи перед переменными означают, что они рассматриваются в системе покоя частицы.

В качестве может быть любая периодическая функция, удовлетворяющая волновому уравнению. Например, это может быть напряжённость или потенциал поля волны. Фазы волн в (1) должны быть сдвинуты на для возникновения стоячей волны. Если , , то в центре частицы при всегда будет узел как отсутствие видимых колебаний, и (1) становится таким:

В результате колебаний (2) внутри частицы могут периодически изменяться скорости зарядов вещества частицы и потенциалы поля. Это неизбежно приводит к появлению периодических колебаний потенциалов поля и за пределами частицы, в окружающем её пространстве.

Пусть теперь частица вместе со своей стоячей волной движется вдоль оси лабораторной системы отсчёта со скоростью . Как видоизменятся колебания поля внутри и за пределами частицы в связи с её движением? Нам необходимо выразить в (2) штрихованные координаты и время внутри движущейся частицы через координаты и время лабораторной системы отсчёта с помощью преобразований Лоренца (обозначает скорость света):

,,,,

.(3)

Из (3) видно, что вследствие перемещения стоячей волны вместе с частицей, для внешнего неподвижного в лабораторной системе отсчёта наблюдателя меняются длина волны и частота. Точнее говоря, на наблюдаемой волне появляются дополнительные пучности, с длиной волны между ними, отличающимися от длины волны в системе отсчёта частицы. Остановим на мгновение волну (3) при и найдём длины волн как пространственное разделение между точками волны в одной и той же фазе. При синус в (3) будет равен нулю, а при фаза синуса изменится от до . Отсюда имеем:

,.(4)

Аналогично для длины волны у косинуса в (3) находим:

,.(5)

Оценим теперь временное разделение между точками волны в одной фазе при , считая это разделение соответствующим периодом волны:

,.(6)

,.(7)

Из (4) − (7) следуют следующие выражения для скоростей:

,.(8)

Как видно из (8), колебания волны (3), связанные с косинусом, распространяются с фазовой скоростью волны де Бройля . Кроме этого, колебания волны (3), связанные с синусом, движутся в пространстве с той же скоростью , что и сама частица. Длину волны в (5) можно преобразовать так, чтобы привести её к стандартному виду для длины волны де Бройля. Свяжем угловую частоту колебаний внутри частицы, аналогично электромагнитной волне, с энергией колебаний: , где – постояннаяДирака, – постоянная Планка. Это даёт следующее:

Аналогично из (4) имеем:

.(10)

В предельном случае, когда энергия колебаний сравнивается с энергией покоя частицы, , из (9) следует:

,(11)

где – масса частицы, – релятивистский импульс частицы.

Формула (11) определяет длину волны де Бройля через импульс частицы. Заметим, что и сам де Бройль написал формулу (11) при условии, что энергия частицы равна энергии волны, сопровождающей частицу.

Согласно полученному нами выражению (9), длина волны должна присутствовать у частицы и при малой энергии возбуждения . При этом по мере уменьшения энергии возбуждения длина волны увеличивается.

Как правило, в экспериментах обнаруживается только из (11), а не длина волны из (9).

Это может происходить потому, что среди множества взаимодействующих частиц одновременно присутствуют частицы с разными энергиями возбуждения и разными , так что волновые явления размываются. Это же касается и для волн с длиной волны в (10). Лишь для самых энергично взаимодействующих частиц, энергии возбуждения которых близки к энергии покоя частиц, достигается граничное значение длины волны, равное длине волны де Бройля. Тем самым эта длина волны и проявляется в эксперименте. При можно предсказать у частиц также и волновые явления с граничной длиной волны .

В частности, есть комптоновская длина волны, обнаруживаемая в эффекте Комптона. Согласно нашей точке зрения появление волны де Бройля следует трактовать как чисто релятивистский эффект, возникающий как следствие лоренцевского преобразования стоячей волны, движущейся вместе с частицей.

В результате мы вынуждены принять, что корпускулярно-волновой дуализм реализуется в полной мере только у тех конкретных частиц, у которых энергии возбуждения достигают их энергии покоя. При этом различие частиц и квантов поля в волновом отношении стирается. При малых энергиях возбуждения частицы не могут сильно излучать свою энергию, и амплитуды колебаний потенциалов поля возле частиц будут невелики. Тогда частицы взаимодействуют между собой скорее не волновым, а обычным способом, и волновые явления становятся незаметными.

Если теперь предположить, что длина стоячей волны равна , где – радиус протона, то из равенства энергии волны и энергии покоя протона получается:

,,м,

здесь – частота колебаний, – масса протона.

Другой способ оценки радиуса протона предполагает, что разность энергий покоя нейтрона и протона возникает вследствие электрической энергии заряда протона. В таком случае должно быть:

,(12)

где – масса нейтрона, – элементарный заряд, – электрическая постоянная.

В (12) для случая однородного распределения заряда по объёму протона , в результате оценка радиуса протона даёт значение м.

В и радиус протона находился из того условия, что предельный момент импульса поля сильной гравитации внутри протона равен по величине спину протона. Это приводит к формуле:

м.(13)

В (13) используется постоянная сильной гравитации . Согласно данная постоянная определяется из равенства электрической силы и силы от поля сильной гравитации, действующих в атоме водорода на электрон с массой , который находится в основном состоянии на радиусе Бора :

,м 3 ∙кг –1 ∙с –2 ,(14)

Кроме сил притяжения от гравитации и зарядов ядра и электрона, в атоме водорода на вещество электрона в виде вращающегося диска действуют и силы отталкивания в сторону от ядра. Одной из этих сил является электрическая сила расталкивания заряженного вещества электронного облака самого от себя. В той вращающейся неинерциальной системе отсчёта, в которой произвольная часть вещества электрона неподвижна, появляется также сила инерции в виде центробежной силы, зависящей от скорости вращения этого вещества вокруг ядра. В первом приближении указанные силы равны друг другу по величине, что и приводит к (14).

Напомним, что идея сильной гравитации была введена в науку в трудах Абдуса Салама и группы его сотрудников , как альтернативное объяснение сильного взаимодействия частиц. В предположении, что адроны могут быть представлены как Керр-Ньюмановские чёрные дыры, они оценили постоянную сильной гравитации как величину порядка м 3 ∙кг –1 ∙с –2 .

С помощью постоянной сильной гравитации (14) можно выразить постоянную тонкой структуры:

Ещё одна оценка радиуса протона вытекает из равенства энергии покоя и модуля полной энергии, с учётом теоремы вириала приблизительно равной половине модуля энергии сильной гравитации, связанной с протоном :

.(15)

Если взять для случая однородного распределения массы, то из (15) следует, что м.

Все указанные выше оценки основываются на классическом подходе к протону как к материальному объекту малых размеров в виде шара радиуса . При этом предполагается, что сильная гравитация действует на уровне элементарных частиц точно так же, как обычная гравитация на уровне планет и звёзд.

В Стандартной модели элементарных частиц и в квантовой хромодинамике считается, что нуклоны и другие адроны состоят из кварков, причём у барионов три кварка, а у мезонов два кварка. Вместо сильной гравитации предполагается действие глюонных полей, удерживающих кварки в адронах. Кварки полагаются заряженными элементарными частицами, поэтому в качестве радиуса протона рассматриваются зарядовый и магнитный среднеквадратичные радиусы. Эти радиусы определяются электрическим и магнитным взаимодействием протона и могут отличаться друг от друга.

Оценка среднеквадратичного зарядового радиуса протона может быть сделана с помощью экспериментов по рассеянию заряженных частиц на протонной мишени . В таких экспериментах находятся полные сечения взаимодействия частиц . Для случая рассеяния протонов на нуклонах при энергиях более 10 ГэВ можно считать, что , причём м 2 . Отсюда получается, что м.

3. Самосогласованная модель

Поставим своей целью найти более точное значение радиуса протона с помощью классических методов. При вычислениях мы будем использовать только табличные данные о массе, заряде и магнитном моменте протона. Протон будем рассматривать с точки зрения теории бесконечной вложенности материи , в которой аналогом протона на уровне звёзд является магнитар или заряженная нейтронная звезда с очень большим магнитным и гравитационным полем. Подобно магнитару, вещество протона должно быть замагниченно и скрепляться полем сильной гравитации.

С целью учёта неоднородности плотности вещества внутри протона используем простую формулу, в которой плотность вещества изменяется линейным образом с нарастанием к центру:

,(16)

где – центральная плотность, – текущий радиус, – коэффициент, подлежащий определению.

Формулу (16) следует рассматривать как первое приближение к реальному распределению плотности вещества внутри протона. Приблизительная линейность зависимости плотности вещества в нейтронных звёздах была показана в , и мы предполагаем, что это справедливо также для протона как аналога нейтронной звезды.

Для оценки величины и радиуса рассмотрим интеграл для массы протона в сферических координатах:

.(17)

Для точного расчёта состояния нейтронных звёзд, а значит и протонов как их аналогов, следует учитывать искривление пространства-времени под действием сильного гравитационного поля, а также вклад энергии гравитационного поля в общую массу-энергию. Мы будем считать, что в (16) в зависимости плотности вещества от радиуса уже учтены все релятивистские эффекты, а масса протона (17) является гравитационной массой с точки зрения удалённого наблюдателя.

,(18)

где − плотность энергии поля сильной гравитации согласно , − гравитационное ускорение.

В (18) интегрирование плотности энергии поля необходимо производить как внутри, так и за пределами протона. Величину внутри протона удобно находить путём интегрирования уравнения для поля сильной гравитации , входящего в состав уравнений лоренц-инвариантной теории гравитации . После интегрирования по сферическому объёму некоторого радиуса , с последующим использованием теоремы Гаусса, то есть с переходом на интегрирование по площади указанной сферы внутри протона, с учётом (17) получается:

.(19)

За пределами протона гравитационное ускорение равно:

.(20)

Подставляя (19) и (20) в (18), получаем соотношение:

.(21)

В (21) можно исключить величину с помощью (17), что даёт зависимость от в виде квадратного уравнения:

Анализ данного уравнения показывает, что оно имеет следующее решение:

,(22)

при том условии, что когда , то соответственно .

Обратимся теперь к магнитному моменту протона. Как и в , мы предполагаем, что магнитный момент протона равен тому магнитному моменту, который формируется за счёт максимально быстрого вращения заряженного вещества протона. В сферических координатах магнитный момент можно приблизительно вычислить как сумму элементарных магнитных моментов отдельных колец с их радиусом , обладающих магнитным моментом за счёт протекания в них тока от вращения заряда:

(23)

Угловая скорость максимального вращения протона может быть найдена из условия предельного вращения, при равенстве центростремительной силы и силы гравитации на экваторе: . Считаем далее, что для плотностей заряда и вещества выполняется равенство , и используем (17). Это даёт следующее:

.(24 )

4. Выводы

Соотношение (24) совместно с (22) дают возможность найти радиус протона м, а также значение . Из (17) тогда получается центральная плотность вещества кг/м 3 , которая превышает среднюю плотность протона в 1,57 раз. Максимальная угловая скорость вращения протона с учётом (23) будет равна рад/с. В то же время, если бы спин протона в приближении однородной плотности вещества равнялся бы стандартной величине для спина фермиона: , то такому спину соответствовала бы угловая скорость вращения рад/с.

Для сравнения с экспериментальными данными укажем на результаты расчётов электронного рассеяния из , где среднеквадратичный зарядовый радиус м получается при учёте только рассеяния на протонах, м с учётом данных пионного рассеяния, и м с учётом данных о рассеянии на нейтронах. В работе нашли среднеквадратичный зарядовый радиус м при изучении связанной системы из протона и отрицательного мюона. Изучение сечения рассеяния поляризованных фотонов на протонах даёт зарядовый радиус м и магнитный радиусм. Зарядовый радиус м и магнитный радиус м протона указаны на сайте Particle data group . В базе данных CODATA з арядовый радиус протона равен м.

Полученное нами в рамках самосогласованной модели значение м близко к экспериментальным значениям радиуса протона, что подтверждает возможность применения идеи сильной гравитации для описания сильного взаимодействия элементарных частиц.

Список использованных источников

1. C. F. Perdrisat, V. Punjabi, and M. Vanderhaeghen. Nucleon Electromagnetic Form Factors . Prog. Part. Nucl. Phys., 2007, Vol. 59, Issue 2, P. 694–764.

2. J. Arrington, C. D. Roberts, and J. M. Zanotti. Nucleon electromagnetic form factors . Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, 2007, Vol. 34, No 7, S23.

3. Randolf Pohl at all. The size of the proton . Nature , 2010, Vol. 466 , P. 213 – 216 .

4. Федосин С.Г. Физика и философия подобия от преонов до метагалактик. Пермь, Стиль-МГ, 1999, 544 стр., Табл.66, Ил.93, Библ. 377 назв. ISBN 5-8131-0012-1.

5. Федосин С.Г. . Пермь, 2009, 842 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.

6. Федосин С.Г. Современные проблемы физики. М.: Эдиториал УРСС, 2002, 192 стр., Ил.26, Библ. 50 назв. ISBN 5-8360-0435-8.

7. Федосин С.Г., Ким А.С. . Известия вузов. Физика, 2002, Т. 45, №. 5, С. 93 – 97.

8. Salam A. and Sivaram C. Strong Gravity Approach to QCD and Confinement. Mod. Phys. Lett., 1993, Vol . A8(4), P. 321–326.

9. Sivaram, C. and Sinha, K.P. Strong gravity, black holes, and hadrons. Physical Review D, 1977, Vol. 16, Issue 6, P. 1975–1978.

10. Барашенков В.С. Сечения взаимодействия элементарных частиц. М.: Наука, 1966.

11. Infinite Hierarchical Nesting of Matter – en.wikiversity.org.

12. Riccardo Belvedere, Daniela Pugliese, Jorge A. Rueda, Remo Ruffini, She-Sheng Xue. Neutron star equilibrium configurations within a fully relativistic theory with strong, weak, electromagnetic, and gravitational interactions . Nuclear Physics A, 2012, Vol. 883, P. 1–24.

13. Fedosin S.G. Electromagnetic and Gravitational Pictures of the World . Apeiron, 2007, Vol. 14, No. 4, P. 385 –413.

14. Richard J. Hill, Gil Paz. Model independent extraction of the proton charge radius from electron scattering . Physical Review D, 2010, Vol. 82, Issue 11, 113005 (10 pages).

15. X. Zhan, et al. High Precision Measurement of the Proton Elastic Form Factor Ratio μ p G E / G M at low Q 2 . Phys. Lett., 2011, B705, P. 59–64.

16. J. Beringer et al . (Particle Data Group). Review of Particle Physics . Phys. Rev. D 86 , 010001 (2012) .

17. P.J. Mohr, B.N. Taylor, and D.B. Newell (2011), The 2010 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants . National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899.

The radius of the proton in the self-consistent model

Based on the notion of strong gravitation, acting at the level of elementary particles, and on the equality of the magnetic moment of the proton and the limiting magnetic moment of the rotating non-uniformly charged ball, the radius of the proton is found, which conforms to the experimental data. At the same time the dependence is derived of distribution of the mass and charge density inside the proton. The ratio of the density in the center of the proton to the average density is found, which equals 1.57 .

VILLIGEN, Switzerland, July 12, 2010 - Эксперимент, сделанный учеными швейцарского Paul Scherrer Institute, показал, что радиус протона - кирпичика атомного ядра - на 4 процента меньше, чем мы думали. В чем причина появившегося несоответствия?

В настоящее время радиус протона, полученный благодаря спектроскопическим исследованиям атома водорода, известен с точностью до 1%. Рандольф Поль (Randolf Pohl) и международная группа ученых-исследователей из Paul Scherrer Institute (PSI) в Виллиген (Villigen), Швейцария, в результате эксперимента определили другое значение. Для этого был проделан достаточно трудный эксперимент. Изучался атом водорода. В котором электрон "заменили" мюоном. Мюон относится к лептонам, как и электрон. Единственное различие заключается в массе. Масса мюона в 206 раз больше массы электрона. Лептоны не взаимодействуют сильно с ядрами атомов, к ядерному взаимодействию отношения сильного не имеют, и между собой сильно они тоже не взаимодействуют (под сильным понимают мощный вид взаимодействия, дающий атомную энергию). Все свойства мюона ничем не отличаются от свойств электрона. Только один тяжелее другого. Но "заменяя" электрон мюоном и наблюдая атомный спектр, определяем значение радиуса ядра атома водорода - протона - оно отличается от полученного ранее значения в большую сторону. Ученые считают, что причиной могли послужить ошибки в измерениях и вычислениях, проводимых по ходу эксперимента. В настоящее время идет проверка всех полученных данных. Самая же невероятная версия - виновна сама квантовая электродинамика, ее законы как таковые.

Путь, который "проходит" мюон над протоном, в 200 раз короче, чем путь электрона. Протон оказывает более сильное влияние на мюон. В лаборатории PSI имеется единственный в мире источник мюонов, позволяющий выполнять такие эксперименты по замещению электрона мюоном в атоме водорода. При помощи специального лазера ученые исследуют некоторые характеристики мюона, что дает им возможность определить и радиус протона. "Изначально мы намеревались получить более точное значение радиуса протона, однако наш результат сильно отличается от привычного. Для погрешности разница слишком велика", - говорит Франц Коттманн. Для радиуса протона было получено новое значение 0.84184 fm (1 fm = 10 -15 m), тогда как общепринятым считается 0.8768 fm. В дальнейшем планируется осуществить эксперимент для атома гелия, с той же целью. Обработка результатов измерений, как говорят экспериментаторы, заняла несколько дней. Исследователи добавляют: "Все оборудование для эксперимента пришлось сделать с нуля. Это заняло около 10 лет, хотя идея самого эксперимента уже витала в стенах PSI почти треть века тому назад. Единственное, что нас сдерживало в то время - это отсутствие технического обеспечения, чтобы осуществить эксперимент".

Вкратце цель и суть эксперимента можно описать так: необходимо измерить Лэмбовский сдвиг в мюонном водороде равный ΔE(2P - 2S) и отсюда найти радиус протона. Энергетический сдвиг (я так понимаю, он получен теоретически, может быть с использованием численных методов - прим. ред.) равен ΔE (2P-2S) = 209.98 - 5.23 r p 2 , r p измеряется fm. При помощи коротких лазерных импульсов ИК диапазона мюонный водород переводится из 2S в 2P энергетическое состояние, разница между ними приблизительно соответствует длине волны лазерного излучения (около мкм). Измеряется количество переходов мюонного водорода в нижнее, 1S состояние, т.е. 2P-1S переходы. Из циклотронной ловушки мюоны поступают в соленоид с магнитным полем в 5 Тл (его называют мюонный канал вывода), он служит для селекции мюонов по энергии. Низкоэнергетичные мюоны сильнее закручиваются магнитным полем и выходят из соленоида под определенным углом. Детектирование общего числа мюонов, поступающих из циклотрона, и мюонов, отклоненных магнитным полем, производится при помощи сцинтилляционного счетчика электронов, которые появляются в результате бомбардировки проходящим в соленоидах мюонным пучком тонкой (около 20 нм) углеродной фольги. Мюоны с энергией 3-6 кэВ залетают в газовую ячейку с атомами водорода и выбивают электроны (ничего более точного на сайте авторов эксперимента не сказано - прим.ред.) . 99% мюонного водорода обладает большой энергией в первый момент времени после того, как был выбит электрон. Высокоэнергетичный мюонный водород испытывает релаксацию за время не более 100 нс, при этом излучая рентгеновские волны с энергией 2 кэВ. Это излучение называют "мгновенным". Оставшийся 1% атомов мюонного водорода (они находятся в метастабильном 2S состоянии, время жизни 1 мкс при давлении 1 мбар) возбуждается лазером на длине волны 6 мкм, атомы переходят в 2P состояние (см. рисунок 4), затем происходит релаксация атомов в состояние 1S с излучением рентгеновских лучей, энергия которых 1.9 кэВ. Это рентгеновское излучение приходит "с задержкой", что связано в первую очередь с необходимостью возбудить атомы мюонного водорода, а также наличием времени релаксации на основной уровень. Таким образом его можно отличить от "мгновенного" рентгеновского излучения. Это излучение рентгеновского диапазона - результат возбуждения атома лазером, конструкцию лазера см. на рисунке 6. Фотография экспериментальной установки показана на рисунке 5. Измеряя долю "задержанного" рентгеновского излучения в общем потоке ЭМВ этого диапазона в зависимости от частоты лазера, можно найти резонансную частоту, соответствующую переходу 2P-2S, а значит, и радиус протона.

Данный проект - результат совместной работы ученых из разных европейских стран, специалистов в области физики ускорителей, атомной физики, лазерной техники. Наиболее существенный вклад внесли:
Paul Scherrer Institute, Villigen, Switzerland Institute for Particle Physics, Swiss Federal Institute of Technology (ETH) Zurich Max-Planck Institute of Quantum Optics, Garching, Germany Laboratoire Kastler Brossel, Paris Department of Physics, University of Coimbra, Portugal Institute für Strahlwerkzeuge, University of Stuttgart, Germany Dausinger & Giesen GmbH, Stuttgart, Germany Department of Physics, University of Fribourg, Switzerland

Радиус протона оказался на 4 процента меньше, чем считалось до сих пор. Такой вывод был сделан группой физиков, которые провели самое точное на сегодняшний день измерение радиуса элементарной частицы.

Протон наряду с нейтроном входит в состав атомных ядер. Напрямую определить размер этой частицы нельзя, так как у нее нет четкой пространственной границы. Тем не менее, ученые могут оценить радиус протона, определив, насколько далеко простирается его положительный заряд. Для того чтобы провести такие измерения, исследователи работают с атомами водорода, которые состоят из одного протона и одного электрона. Электрон обращается вокруг протона не по строго установленным траекториям - эта элементарная частица может занимать определенные энергетические уровни. В 1947 году американские физики Уиллис Юджин Лэмб и Роберт Резерфорд установили, что электрон в атоме водорода может колебаться между двумя энергетическими уровнями (это явление получило название лэмбовского сдвига). Выяснив, какова разница энергии между двумя этими уровнями, ученые могут на основании положений теории квантовой электродинамики вычислить радиус протона, уточняет портал ScienceNOW.

Авторы новой работы решили уточнить полученные ранее оценки размера протона, использовав необычную технологию эксперимента. Физики получали структуру, подобную атому водорода, в которой вместо электрона находился мюон - отрицательно заряженная электронная частица в 207 раз тяжелее электрона. Из-за разницы в массе мюон обращается приблизительно в 200 раз ближе к протону и изменения его энергетических уровней намного сильнее зависят от характеристик протона.

Используя самый мощный ускоритель мюонов в швейцарском институте Пауля Шеррера, ученые "запускали" мюоны в емкость, содержащую атомы водорода. При этом примерно каждый сотый мюон, заменивший электрон, "проваливался" до более высокого энергетического уровня из "разрешенных" лэмбовским сдвигом. Такие частицы существовали в течение двух микросекунд, что на порядок дольше, чем в проводимых ранее экспериментах. При помощи лазера со специально подобранными характеристиками физики придавали мюону дополнительную энергию, которой точно хватало для перехода на следующий уровень. Практически сразу мюон вновь возвращался на более низкий энергетический уровень, испуская при этом рентгеновское излучение, поясняет Wired. Анализируя это излучение, специалисты смогли определить энергию уровня и затем радиус протона. Здесь можно увидеть видео на английском языке, в котором отражены основные этапы эксперимента.

По итогам проведенных опытов ученые вычислили, что радиус протона составляет 0,84184 фемтометров (фемтометр - это 10-15 метра), что на 4 процента меньше принятого на сегодня значения. Пока исследователи не могут объяснить новые результаты, так как они противоречат теории квантовой электродинамики, которая считается самой точной физической теорией. Коллеги авторов не исключают, что причиной расхождения может быть ошибка (или ошибки), произошедшая на одной из стадий эксперимента. Еще одно возможное объяснение - ошибки в положениях теории квантовой электродинамики. И, наконец, третий вариант, о котором специалисты говорят с очень большой осторожностью, - новые результаты свидетельствуют о том, что у протона существуют абсолютно неизвестные физикам свойства.

Фотография установки

ФИАН Информ / Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Физики из Института квантовой оптики общества Макса Планка, Российского квантового центра и Физического института академии наук им. Лебедева поставили новый эксперимент по измерению зарядового радиуса протона. Полученная величина оказалась несколько меньше общепринятой, она в пределах погрешности совпадает с ранними экспериментами с мюонным водородом. Исследование может дать ответ на нерешенную проблему «загадки радиуса протона»: в различных измерениях протон словно бы меняет свои размеры, чего не предсказывает ни одна современная теория. По словам исследователей, источником эффекта может быть квантовая интерференция, которая искажала результаты ранних измерений. Работа опубликована в журнале Science , кратко о ней сообщает ФИАН-информ.

Сравнение протонного радиуса, полученного в работе группы Колачевского 2017 года (зеленый ромб) и в ранних работах (треугольник и шестиугольник). Фиолетовым показаны результаты спектроскопии мюонного водорода.

Согласно данным CODATA, международной комиссии, отслеживающей, анализирующей и публикующей новые результаты измерений фундаментальных констант, зарядовый радиус протона составляет 0,8751(61) фемтометра. Эта величина показывает то, как пучок отрицательно заряженных частиц рассеивается на протоне - чем больше зарядовый радиус, тем большая доля частиц будет рассеиваться. Один из методов его измерения - сверхточная спектроскопия электронных переходов в атоме водорода. Отличный от нуля размер протона влияет на энергию электронов, находящихся рядом с ним, и смещает их энергию на небольшую измеримую величину, которую можно описать в рамках квантовой электродинамики.

В 2010 году международная группа физиков опубликовала результаты экспериментов с экзотической частицей - мюонным водородом. Она отличается от обычного водорода тем, что электроны в ней заменены на более тяжелые лептоны - мюоны (в 207 раз тяжелее). Эксперимент должен был уточнить зарядовый радиус протона - мюон летает гораздо ближе к ядру, чем электрон, и лучше «чувствует» размеры частицы. Однако новые точные данные оказались на четыре процента меньше, чем принятые на тот момент - 0.8418 фемтометра. Эта разница в несколько раз превышает погрешность эксперимента, а значит речь шла о каком-то принципиально новом эффекте. Протон словно бы сжимался рядом с мюоном. Со временем и уточнением данных значимость разницы между радиусами протона только росла, ставя под вопрос абсолютную точность квантовой электродинамики. До сих пор однозначного решения загадки представлено не было. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале « »

В новой работе немецкие ученые по предложению директора ФИАН Николая Колачевского усовершенствовали традиционный спектральный эксперимент, устранив ряд источников погрешности. Его суть заключается в точном измерении энергии электронного перехода в атоме водорода между двумя уровнями.

Схема эксперимента

Axel Beyer et al. / Science, 2017

Как правило, основными источниками погрешности в экспериментах с возбужденными атомами являются допплеровские сдвиги (из-за большой скорости горячих атомов - порядка трех километров в секунду), эффект Старка (сдвиг и расщепление линий в электрическом поле) и влияние сверхтонкой структуры. Авторы новой работы снизили температуру атомов до криогенной и уменьшили скорости примерно на порядок. В дополнение к этому, ученые научились бороться с квантовой интерференцией.

Квантовая интерференция - хорошо известное в ядерной оптике явление. Оно возникает, когда есть два энергетических перехода с близкими по значению энергиями. Эти переходы могут влиять друг на друга, аналогично тому, как два когерентных луча света могут формировать интерференционную картину складываясь друг с другом. В атомной спектроскопии интерференция возникает из-за расщепления энергетических уровней. Ранее считалось, что это явление дает очень слабый вклад в сдвиг спектральных линий, из-за чего физики практически не учитывали его.

В новой работе эксперимент был построен следующим образом. На первом этапе в установку попадал пучок холодных атомов водорода. Он был возбужден из основного в одно из двух сверхтонких 2S-состояний с помощью двухфотонного поглощения. Затем атомы дополнительно возбуждались в следующее состояние (4P) с помощью синего лазера. Интерферирующие переходы в сверхтонкой структуре этого энергетического уровня расположены довольно далеко друг от друга (это расстояние в сто раз больше ширины линий), но все равно дают большой вклад в положение пика перехода 2S-4P. Он оказался соизмерим с расхождением между частотами переходов в обычном и мюонном водороде.

После тщательной обработки результатов эксперимента, продлившегося около года, физики оценили зарядовый радиус протона - он оказался равен 0.8335(91) фемтометра, что в рамках погрешности совпадает с результатами для мюонного водорода и на три стандартных отклонения меньше, чем у традиционных экспериментов. Как отмечают авторы, говорить о решении проблемы радиуса протона еще рано - новый результат получен лишь на одном измерении (хотя его точность и превосходит объединенную точность других измерений). Необходимо выяснить причину, из-за которой ранние результаты оказываются систематически сдвинуты. Кроме того, новый радиус расходится не только со спектроскопическими экспериментами, но и с данными по рассеянию электронов на протоне.

Чтобы окончательно раскрыть загадку зарядового радиуса протона, потребуются дополнительные эксперименты - в том числе и с более тяжелыми ядрами. К примеру, недавно мы о спектроскопии мюонного дейтерия, которая также подтвердила расхождение в радиусах дейтрона.

Владимир Королёв

Как то я уже писал о "неуловимых" мюонах и, связанным с ними таком физическом явлении, как молнии:

А сегодня во френдленте прочитал интересную статью, детально раскрывающую природу мюона и связанного с ним "меньшего, чем обычно" протона. Кто заинтересовался - статья под катом.

«Радиус протона оказался на 4 процента меньше, чем считалось до сих пор. Такой вывод был сделан группой физиков, которые провели самое точное на сегодняшний день измерение радиуса частицы. Свои результаты ученые опубликовали в журнале Nature. Коротко о работе пишет New Scientist.

Оригинал взят у mord08 в Размеры протона. Необъяснимое...

О радиусе протона

Прежде всего, я хочу поблагодарить блоггера Миронову Валентину Юрьевну, благодаря которой я узнал о существовании проблемы расхождений в результатах, получаемых при измерениях размеров протона, которые стабильно повторяются в процессе его измерений различными способами. А также моего постоянного в течение уже многих лет корреспондента издалека, благодаря которому я получил и подробное описание методик тех измерений. А теперь о сути проблемы и сначала цитата.

Авторы новой работы решили уточнить полученные ранее оценки размера протона, использовав необычную технологию эксперимента. Физики получали структуру, подобную атому водорода, в которой вместо электрона находился мюон - отрицательно заряженная элементарная частица в 207 раз тяжелее электрона. Из-за разницы в массе мюон обращается приблизительно в 200 раз ближе к протону и изменения его энергетических уровней намного сильнее зависят от характеристик протона.

Вот, что приходит в голову по поводу этого исключительно важного сообщения.
Прежде всего нужно вспомнить, что электрон в атоме в ассоциации с протоном не является частицей, в форме которой он существует, находясь вне этой системы. Внутри этой системы его можно представить в форме объемного энергетического вихря, обладающего определенной кинетической энергией и отрицательным электрическим зарядом. Как часто говорят, «Облака», форма которого и значение его массы инерции определяется занимаемым им в атоме энергетическим уровнем.

Следующим, что нужно иметь в виду для того, чтобы получить достаточно логичные объяснения полученным в упомянутом эксперименте результатам, что согласно Концепции MWT кинетическая энергия представляет собой некую потенциальную энергию, которая накапливается в пространстве Более Высокой Мерности (БВМ) в процессах различных в нашем мире взаимодействий, и может возвращаться обратно в наш мир в ответ на приложение к физическому объекту, ею обладающему, воздействия, противоположного тому, которое было в процессе ее накопления. (Вывод из описания решений математики Янга-Миллса).

И, наконец, еще одно и самое важное для понимания рассматриваемой проблемы обстоятельство. Как когда-то написал Платон: « Идея вещи есть цельность всех составляющих её частей, неделимая на эти части». Иными словами, замена электрона в системе ассоциированных протона с электроном на мюон не только замена одного из составляющих систему элементов на другой, это - замена одной находящейся в стабильном динамическом равновесном состоянии системы на другую, которая, тем не менее, также должна оставаться в стабильном динамическом равновесном состоянии. А это новое состояние может образоваться только в том случае, если произойдут какие-то изменения у всех составляющих систему элементов. В нашем случае - должен каким-то образом измениться и протон. Еще раз: « Идея вещи есть цельность всех составляющих её частей, неделимая на эти части».

Для пояснения выдвинутого предположения можно сказать следующее.

Чтобы сохранить вновь образовавшуюся систему в таком же динамическом равновесии, более тяжелый мюон естественно должен приблизиться к тому, чем стал новый протон. Чтобы удержать мюон в новой системе, протон должен найти в себе для этого достаточно энергии. И самым центральным для удовлетворительного объяснения наблюдаемого в результате эксперимента вывода является ответ на вопрос - откуда она может у него появиться?

Протон представляет собой ассоциацию трех кварков, энергия которых практически полностью состоит из кинетической энергии вращения и которые составляют систему, находящуюся в динамическом равновесном состоянии, поддерживаемом взаимодействием конфайнмента, взаимодействием «Наоборот», которое с ростом расстояния между физическими объектами увеличивается, а с уменьшением расстояния - ослабевает.

Поскольку это динамическое равновесие может поддерживаться неопределенно долгое время, а подобные динамические равновесные системы подвергаются постоянным возмущениям, но какого-то источника корректирующей эти возмущения энергии в нашем мире пока не нашлось, остается предположить, что корректирующая энергия может поступать лишь из пространства БВМ.

Подобным возмущением по сути является и замена электрона на мюон, а получить ту необходимую протону энергию, которая была уже упомянута, он также может лишь из пространства БВМ. Но, в таком случае, если меняется внутренняя энергия протона, в нем изменяются и условия нового состояния конфайнмента. Скорее всего, кварки должны сблизиться для увеличения внутренней энергии системы, или, иными словами, создать, тем самым, новый протон. Что и обнаруживается в упомянутом эксперименте и, скорее всего, сможет найти свое подтверждение в достаточно адекватной математической модели, отображающей этот феномен.