Протон похудел

08 июля 2010 года, 17:09
Протон похудел

Группа исследователей под руководством Рандольфа Пола (Randolf Pohl) из Института квантовой оптики Общества им. Макса Планка (Max-Planck-Institut für Quantenoptik), Германия, обнаружила, что радиус протона на 4% меньше, чем ранее предполагалось, сообщает ScienceNews.  Результаты исследования были опубликованы сегодня в журнале Nature.

Для определения радиуса протона ученые использовали особый вид водорода, в котором единственный электрон заменен на мюон. Эта элементарная частица очень похожа на электрон, но ее масса в 200 раз больше, а поэтому и среднее расстояние от протона (средний радиус атома) значительно меньше. Из-за этого сила, действующая на протон со стороны мюона тоже оказывается намного больше. А так как протон, в отличие от электрона и мюона, — частица составная: у него внутри находятся три кварка, то он, находясь в центре мезоатома (то есть, имея мюон у себя на орбите), подвержен гораздо большим деформациям.

В процессе исследования ученые направляли луч мюонов на водород, создавая мезоатомы водорода. Затем газ мезоатомов водорода обстреливали из лазерной пушки, переводя мезоатомы в возбужденные состояния. В нерелятивистской квантовой механике уровни некоторых возбужденных состояний соответствуют одним и тем же значениям энергии, однако более точная квантовая электродинамика предсказывает их небольшое расщепление, называемое лэмбовским сдвигом. Для мезоатома лэмбовский сдвиг должен быть больше, чем для обычного атома. На основании его исследователи надеялись определить среднее расстояние между кварками в протоне, которое можно было бы отождествить с радиусом протона.

Тем не менее многолетние исследования не давали желанных результатов. Альдо Антоньини (Aldo Antognini) из Института им. Пауля Шеррера (Paul Scherrer Institute), Швейцария, принимавший участие в исследовании, рассказал, что результат был получен всего за три недели до прекращения эксперимента. «Это как в голливудском фильме, где все идет плохо, пока до конца не остается пять минут», – заметил он.

Руководитель исследования рассказал, что теоретическая оценка радиуса по результатам рассеяния в электростатическом поле протона других заряженных частиц лежит в пределах 0,87–0,91 фм (1 фм = 10–13 см). Однако опыт с мезоатомами показал, к изумлению ученых, что радиус протона составляет 0,84184 фм. «Возможно, кто-то совершил ошибку, однако все уверены, что этого не произошло, так что результат оказался поистине интригующим. Измерения противоречат друг другу, однако теперь главный вопрос: как решить эту проблему. Либо один из экспериментов был проведен неверно, либо расчеты неверны. Если же окажется, что ошибки не произошло, то в будущем, возможно, будет объявлено, что квантовая электродинамика неверна, а это было бы очень интересно. Но так далеко мы пока не заходим», – сообщил Рандольф Пол.

Напомним, что квантовая электродинамика (КЭД) является перввым и простейшим вариантом квантовой калибровочной теории. В ней взаимодействия переносятся скалярным полем, задаваемым электромагнитным потенциалом, а его кванты — фотоны — не имеют массы. Усложняя модель полей, прежде всего переносчиков взаимодействий, удалось получить калибровочные теории, описывающие слабые и сильные взаимодействия, а потом и объединенные теории — сначала электрослабых (теория Вайнберга-Салама-Глэшоу), а потом добавить к ним и сильные (стандартная модель).

Для проверки стандартной модели нужно исследовать процессы, протекающие при очень высоких энергиях, характерных для первых минут существования Вселенной. Только  в конце марта этого года физикам, работающим на Большом адронном коллайдере (БАК, LHC, Large Hadron Collider), в Женеве, Швейцария, крупнейшем в мире ускорителе частиц, удалось вплотную приблизиться к этому рубежу, достигнув энергий в 7 ТэВ, что втрое быстрее предыдущего рекорда, поставленного на этом же коллайдере. В прошлом году при столкновении пучков протонов была получена энергия 2,36 ТэВ. Но для успешного проведения запланированных экспериментов имеющийся результат предстоит еще раз удвоить и достичь значения в 14 ТэВ.

Просмотров: 2588
Все лента новостей