Новые высокоточные измерения размеров протона показали достоверность результатов, полученных немногим ранее в этом году, и указывают на то, что загадка 10-летней давности, связанная с этой величиной, может иметь достоверное решение. Протон, возможно, самая важная частица в окружающем нас мире, он является одним из трех компонентов атомов, которые определяют различия и характеристики всех химических элементов. Расхождение между теоретическими и практическими данными измерений того, что называют радиусом заряда протона, стали одной из фундаментальных загадок последнего времени. Поиски решения этой загадки велись в течение прошедшего десятилетия, и сейчас, когда стали появляться новые методы, обеспечивающие повышенную точность измерений, эти поиски приближаются к своему логическому завершению.
Измерения радиуса протона производилось при помощи значения так называемого радиуса заряда, величины, определяющей распределение электрического заряда в пределах частицы. В 2010 году ученые измерили этот радиус при помощи так называемого лямбда-смещения, различия между двумя энергетическими состояниями атома, состоящего всего из одного протона и одного электрона. Полученные тогда результаты указали на то, что радиус заряда протона равен 0.877 фемтометра.
Позже ученые опровергли результаты, полученные в 2010 году, выполнив измерение лямбда-смещения при помощи атома, состоящего из протона и мюона, более тяжелого и редкого "родственника" электрона. Мюон в таком атоме располагается намного ближе к протону, что делает такой метод измерения лямбда-смещения более высокоточным. И полученные при помощи нового метода результаты дали ученым в руки новое значение радиуса протона в 0.842 фемтометра. Эта величина столь существенно ниже первоначально полученного (и теоретического) значения, что данный факт поставил в тупик множество ученых.
Ранее в этом году Йоркского университета сделали новое измерение радиуса протона, которое позволило определить эту величину с высокой точностью путем комбинации двух методов, использующих как обычные атомы из протона и электрона, так и атомы из протона и мюона. Полученное ими значение равно 0.833 фемтометра, и это стало еще одной причиной считать результаты 2010 года недостоверными.
А не так давно, международная команда ученых из Соединенных Штатов, Украины, России и Армении, работающая в рамках программы PRad в Национальной лаборатории имени Джефферсона в Вирджинии, произвела измерения радиуса протона при помощи совершенно нового метода, основанного на рассеивании протонов и электронов.
Эксперимент заключается в то, что луч электронов ударяет по облаку газообразного водорода, охлажденного до криогенной температуры. Рабочая область окружена массой датчиков, которые измеряют длину еще не рассеянного в водороде электронного луча, углы отклонения, энергию рассеиваемых электронов и множество других параметров. При этом, ученые использовали целый ряд инновационных решений, которые позволили во много раз увеличить точность производимых измерений по сравнению с другими проведенными ранее подобными экспериментами. И все это позволило им получить свое значение радиуса протона, которое составило 0.831 и которое приблизительно совпадает со значением, полученными учеными из Йоркского университета в этом году.
Подтверждение нового значения радиуса протона, по мнению некоторых ученых, уже ставит жирную точку и закрывает загадку, появившуюся на свет в 2010 году. Ученые считают, что измерения 2010 года просто дали недостоверный результат из-за какой-то математической ошибки или из-за влияния какого-то неучтенного фактора в ходе проведения эксперимента.
Однако, есть и другая часть ученых, считающих, что говорить о решении загадки еще преждевременно. Перед этим необходимо, как минимум, найти причину получения недостоверных данных в 2010 и убедиться в достоверности последних экспериментов. А последнее можно будет сделать, только проведя новые измерения радиуса протона при помощи атома из протона и мюона g-2, которые дадут еще более точные результаты и которые уже планируются в настоящее время.
