Ужимаются не только финансовые рынки: самый точный на сегодняшний день замер радиуса протона показал, что он на 4% меньше, чем считалось до сих пор. Несмотря на то, что прежде этот радиус лучше совпадал с выкладками одной из самых точных теорий квантового мира.
Протон ужали: Или не ужали
Чтобы оценить радиус протона, ученые замеряли энергетические сдвиги для 2S (слева) и 2Р-орбиталей атомов водорода, в которых электроны были заменены мюонами

Квантовая электродинамика (КЭД) — теория, предсказания которой сбываются иногда с поразительной точностью, до сотых миллионных долей процента. Тем удивительней такое расхождение между выводами КЭД и новыми экспериментальными данными.

«Изящнее всего было бы, если б в расчетах просто была обнаружена какая-то ошибка, — говорит один из авторов этого эксперимента Рэндольф Пол (Randolf Pohl), — но теоретики всё изучили и пришли к выводу, что всё в порядке». Возможно, проблема не в том, что протон оказался меньше расчетных размеров, а в том, что мы не до конца понимаем, что происходит внутри него.

Для проведения как можно более точных измерений физики пошли не прямым путем, а сперва сконструировали нестандартный атом водорода. Напомним, что этот простейший атом состоит из 1-го протона в роли ядра и 1-го электрона, вращающегося вокруг него. Говоря точнее, электрон представляет собой электронное облако, которое может переходить в различные квантовые состояния — орбитали разной формы. Каждая орбиталь характеризуется строго определенным уровнем энергии.

Однако в 1947 г. группа американских физиков под руководством будущего Нобелевского лауреата Уиллиса Лэмба (Willis Lamb) обнаружила, энергия орбиталей не всегда четко соответствует квантованным уровням энергии, предсказанным теорией. Эти сдвиги, получившие название Лэмбовских, вызываются взаимодействием электронного облака с флуктуациями электромагнитного поля. Именно это открытие — и его теоретическое обоснование, сделанное вскоре Хансом Бете (Hans Bethe) заложило основы квантовой электродинамики, как самой точной на сегодняшний день квантовой теории поля.

И вот Рэндольф Пол и его коллеги более 10-ти лет пытались установить пределы этой точности. Используя ускоритель частиц в швейцарском Институте Поля Шеррера, они создали не совсем обычные атомы водорода, в которых электрон заменен другой частицей, мюоном, обладающим тем же единичным отрицательным зарядом, но весящим в 207 раз тяжелее электрона и весьма неустойчивым — время жизни его составляет порядка 2 мкс. Затем ученые замеряли Лэмбовский сдвиг в таком «мюонном водороде». Поскольку мюон намного тяжелее электрона, он вращается по орбите, куда более близкой к самому протону и иначе взаимодействует с квантовыми флуктуациями, вызывающими сдвиг. В таком случае он должен быть бОльшим, и легче измеряемым.

Замеренный с высокой точностью Лэмбовский сдвиг оказался выше, чем предсказания КЭД, а поскольку он зависит и от радиуса протона, из него было вычислено, что радиус этот составляет 0,84184 миллионных нанометра — на 4% меньше, чем по результатам, полученным измерениями на обычном водороде.

Можно ли говорить о провале теории КЭД? Вряд ли, — считает российский физик-теоретик Рудольф Фаустов. Он напоминает, что сам протон представляет собой комбинацию кварков и глюонов, объединенных воедино сильным взаимодействием. Сама сложность этой структуры существенно затрудняет точное измерение электромагнитных взаимодействий между протоном и мюоном. На практике трудно отделить одни взаимодействия от других и понять, насколько на свойства протона повлияло само появление мюона.

Читайте также о странной истории с обнаружением одной странной элементарной частицы: «Нечто из ниоткуда».

По пресс-релизу Max Planck Institute of Quantum Optics и сообщению ScienceNOW