К загадке радиуса протона добавили дейтрон

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. 

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.

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.

Владимир Королёв