Радиус протона: Физики решили загадку радиуса протона для электрон-протонного рассеяния

Физики решили загадку радиуса протона для электрон-протонного рассеяния

Физики применили метод интерполяции с помощью непрерывной дроби к данным двух экспериментов по упругому рассеянию электронов на протонах, из которых следовали различные значения зарядового радиуса протона. В результате для обоих опытов они смогли получить близкие по величине значения радиуса, разрешив таким образом имевшееся противоречие. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Среднеквадратичный зарядовый радиус протона — это фундаментальная физическая константа, которая в недавнем прошлом оказалась в центре внимания физиков по всему миру. Эта величина характеризует степень неточечности протона безотносительно к деталям распределения заряда внутри него. До 2010 года было всего два типа экспериментов, которые могли определить ее с достаточной точностью: спектроскопия атома водорода и упругое рассеяние электронов на протонах — и оба они давали примерно одно и то же значение, близкое к 0,88 фемтометрам.

Однако в 2010 году были опубликованы первые эксперименты по спектроскопии мюонного водорода, в которых радиус протона оказался равен 0,84 фемтометрам. Обнаруженное расхождение получило название «загадка радиуса протона» и заставило многие группы повторять и перепроверять старые эксперименты. Подробнее об этой загадке вы можете прочитать в нашем материале «Щель в доспехах».

Со временем стали появляться результаты перепроверок экспериментов обоих типов, и в ряде случаев перепроверка давала меньшее значение. Мы уже рассказывали ранее про противоречие в экспериментах по измерению частоты перехода 1S-3S атома водорода. Такое расхождение наталкивает на мысль о том, что загадка радиуса протона, вероятно, имеет технический, а не фундаментальный характер.

В русле этой идеи группа физиков из Германии, Италии и Китая при участии Крэйга Робертса (Craig Roberts) из Нанкинского университета, решила пересмотреть результаты недавних экспериментов по электрон-протонному рассеянию, проведенных в лаборатории имени Джефферсона коллаборацией PRad (об этом мы также писали), в которых значение радиуса протона получилось равным 0,831(19) фемтометров, и более старых экспериментов, проведенных коллаборацией A1 в Майнце, в которых оно оказалось равным 0,879(8) фемтометров. В результате новой обработки данных обеих групп физики смогли существенно сблизить их значения.

Слабым местом при извлечении информации о размере протона из данных об упругих рассеяниях электрона на протонах стало то, что в случае, если передаваемый импульс от одной частицы к другой оказывается очень мал, мы не можем точно знать детали такого взаимодействия. В частности, при извлечении радиуса протона ключевую роль играет электрический формфактор, а точнее, его производная в точке нулевого квадрата передаваемого импульса. К сожалению, его точный вид нам неизвестен, а расчет в рамках квантовой хромодинамики пока не достижим, поэтому физикам приходится опираться на разнообразные феноменологические модели.

Авторы новой работы вместо использования подгоночных функций применили метод, развитый ранее Шлессингером. Метод подходит для решения задач, в которых необходима модельно-независимая экстра- или интерполяция. Его суть заключается в построении аналитической функции на базе исходных данных с помощью непрерывной дроби. Важно, что при этом такая интерполяция способна уловить как локальные, так и глобальные особенности поведения функции, что оказалось достаточно для вычисления производной от формфактора в точке с нулевым импульсом. 

Для учета статистических ошибок физики повторяли эту процедуру с тысячей разных наборов данных, которые генерировались путем замены каждой точки в исходном наборе на случайное значение, лежащее в пределах исходной дисперсии. Применяя такой подход к данным PRad, авторы получили значение радиуса протона, равное 0,838(5) фемтометров. Похожим образом они пересчитали радиус протона для эксперимента группы A1, и он составил 0,856(14) фемтометров. Комбинация этих двух значений дала итоговую величину радиуса по экспериментам с электрон-протонным рассеянием, равную 0,847(8) фемтометров, что находится в хорошем согласии с результатами спектроскопии мюонного водорода.

Исследование рассеяний частиц на разнообразных мишенях играет важную роль в фундаментальной физике. Так, мы уже писали про то, как упругое рассеяние ограничило отклонения нейтрино от Стандартной модели.

Марат Хамадеев

Загадки протона

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Физики на шаг приблизились к решению загадки радиуса протона

Физики из Германии провели рекордно точное измерение частоты двухфотонного 1S-3S перехода атома водорода, лежащего в ультрафиолетовой области, с помощью техники частотных гребенок. Результаты эксперимента позволили получить уточненные значения постоянной Ридберга и зарядового радиуса протона, что приблизило ученых к решению «загадки радиуса протона». Работа опубликована в Science.

«Загадкой радиуса протона» называется расхождение данных по измерению протонного размера, полученных различными экспериментальными группами. Она возникла в 2010 году, когда были опубликованы результаты по сверхточному измерению лэмбовского сдвига в мюонном водороде — экзотической частице, в котором электрон заменен мюоном. Мюон, согласно принципу лептонной универсальности, не должен отличаться от электрона ничем, кроме массы и времени жизни. Из-за того, что мюон в 207 раз тяжелее, он ближе находится к протону, следовательно, эксперименты с мюонными атомами позволяют точнее определить его размер.

Оказалось, что радиус протона, полученный при измерении 2S-2P перехода в мюонном водороде и примерно равный 0,84 фемтометра, отличается на 4σ от того же радиуса, полученного серией спектроскопических экспериментов на обычном водороде и экспериментами по электрон-протонному рассеянию, и примерно равного 0,88 фемтометра. Такое большое расхождение подстегнуло экспериментальные и теоретические исследования этой проблемы (подробнее о том, как возникла загадка радиуса протона, вы можете прочитать в нашем материале «Щель в доспехах»). 

Примечательно, что в большинстве последующих экспериментов подтвердилось меньшее значение радиуса протона. Исключением стала работа, опубликованная парижской группой физиков в 2018 году: их результаты соответствовали большему значению радиуса. Это послужило
мотивацией для группы из Института квантовой оптики общества Макса Планка при участии Алексея Гринина (Alexey Grinin) повторить это измерение с
помощью лазера, который генерирует оптические частотные гребенки.

Для этого физики создавали облако атомов водорода путем диссоциации молекулярного водорода и доставляли его в область столкновения встречных лазерных пучков. При такой схеме атом поглощает по одному фотону из каждого пучка, и это позволяет избежать отдачи за счет импульса фотонов. Использование же в таком процессе частотных гребенок существенно увеличивает эффективность двухфотонного поглощения.

Оптической частотной гребенкой называется особый вид спектра лазера, который представляет собой набор узких пиков, отстоящих друг от друга на равные частотные интервалы и напоминающих таким образом зубчики расчески. Для создания такого спектра используется несколько различных техник, например, амплитудная либо фазовая модуляция света, испускаемого лазером с непрерывным спектром. Гребенчатая форма спектра позволяет многократно увеличивать точность оптических систем. За изобретение технологии оптических гребенок в 2005 году была вручена Нобелевская премия по физике.

В результате точность измерения частоты перехода 1S-3S достигла 13-го знака после запятой. Это позволило увеличить точность извлекаемых из этого значения констант. Чтобы сделать это, необходимо записать выражение, которое связывает рассматриваемую частоту с фундаментальными константами. Само выражение базируется на формулах, получаемых в квантовой механике и квантовой электродинамике. При этом самые важные с точки зрения точности константы лишь две из них: постоянная Ридберга и радиус протона. Таким образом, для их определения нужно знать как минимум две частоты перехода, а погрешности в вычислении частот преобразуются в погрешности определения констант. Поэтому исследователи стараются выбирать такие переходы, ширина спектральных линий которых, а, следовательно, и погрешность, минимальна.

Самая узкая спектральная линия в атоме водорода — это линия, соответствующая переходу 1S-2S: ее точность достигает 15-го знака после запятой. Поэтому в большинстве экспериментов по измерению радиуса протона выражение для частоты этого перехода используется в качестве одного из уравнений. В качестве второго перехода разные группы физиков использовали переходы между 2S состоянием и высоковозбужденными nS, nP, и nD-состояниями (которые называются ридберговскими; про одну из таких работ мы уже писали ранее) и 2P состоянием (лэмбовский сдвиг), а также 1S-3S переход.

До 2010 года результаты этих экспериментов свидетельствовали о большем значении радиуса протона. Однако в последние несколько лет все они были повторены с новым уровнем точности, включая опыты по рассеянию электронов, про которые мы уже писали, и во всех случаях кроме одного, размер протона получился меньшим. Большее значение получилось лишь у парижской группы физиков, которые измеряли частоту перехода 1S-3S атома водорода с помощью лазера с непрерывным спектром. 

В новой работе исследователи получили такое значение радиуса протона, которое оказалось гораздо ближе к значению, полученному в мюонном эксперименте, и почти на 3σ отличалось от значения, полученного парижской группой. Таким образом, физики, кажется, поставили точку в споре о том, какое же из значений наиболее близко к истинному. Однако, еще непонятно, почему измерение одной и той же частоты у одного и того же атома с помощью разных техник дает разный ответ. Результаты работы группы наводят на мысль, что окончательное решение загадки протона стоит все же искать в аппаратной или систематической части эксперимента (или нескольких экспериментов), а не в теории.

На важность проделанной работы обратил внимание профессор Вим Убахс из Астердамского свободного университета, который в том же номере журнала Science опубликовал короткую заметку под названием «Кризис и катарсис в атомной физике». Он отметил, что прошедшие года в поисках согласованности в атомной физике, которыми ознаменовалась загадка радиуса протона, станут интересной темой исследования для историков и социологов науки.

Радиус протона и
постоянная Ридберга — не единственные постоянные, за точность которых борются
ученые. Мы уже писали ранее о том, как физики уточнили постоянную Планка,
гравитационную постоянную и постоянную тонкой структуры.

Марат Хамадеев

Загадки протона

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Прогресс в решении головоломки протон-радиус

• НОВОСТИ И МНЕНИЯ
• 06 ноября 2019 г.

Физики-атомщики и физики-ядерщики провели точные измерения радиуса протона. Оба значения согласуются с горячо обсуждаемым результатом, полученным с помощью спектроскопии экзотической формы водорода, называемой мюонным водородом.

• Жан-Филипп Карр и
• Доминик Маршан

1. Жан-Филипп Карр

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed
   Google Scholar

2. Доминик Маршан

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed
   Google Scholar

Протон, открытый 100 лет назад ¹ , является важным строительным блоком видимой материи. Ядро атома водорода состоит из одного протона, что делает этот атом подходящей платформой для определения внутренних свойств протона. Одним из таких свойств является радиус заряда протона, который соответствует пространственной степени распределения заряда протона. В 2010 году было проведено высокоточное измерение радиуса протона с помощью спектроскопии мюонного водорода — экзотической формы водорода, в которой электрон заменен более тяжелой версией, называемой мюоном 9.0033 2 . Однако полученное значение оказалось почти на 4% меньше принятого ранее ³ . Безгинов и др. ⁴ , пишет в Science , и Xiong et al. ⁵ , написав в Nature , сообщить об экспериментах, которые могут стать решающим шагом к решению этой загадки протонного радиуса.

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

199,00 €

всего 3,90 € за выпуск

Подписаться

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

32,00 $

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Природа 575 , 61-62 (2019)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-019-03364-z

Ссылки

1. Rutherford, E. Phil. Маг. сер. 6 37 , 581–587 (1919).

   Артикул

   Google Scholar

2. Поль, Р. и др. Природа 466 , 213–216 (2010).

   Артикул
   пабмед

   Google Scholar

3. Бернауэр, Дж. К. и Пол, Р. Науч. Являюсь. 310 (2), 32–39 (2014).

   Артикул
   пабмед

   Google Scholar

4. «>

   Безгинов Н. и др. Наука 365 , 1007–1012 (2019).

   Артикул
   пабмед

   Google Scholar

5. Сюн, В. и др. Природа 575 , 147–150 (2019).

   Артикул

   Google Scholar

6. Поль Р., Гилман Р., Миллер Г. А. и Пачуки К. Annu. Преподобный Нукл. Часть. науч. 63 , 175–204 (2013).

   Артикул

   Google Scholar

7. Антонини, А. и др. Наука 339 , 417–420 (2013).

   Артикул
   пабмед

   Google Scholar

8. Vutha, A.C. & Hessels, E.A. Физ. Ред. A 92 , 052504 (2015 г.).

   Артикул

   Google Scholar

9. «>

   Fleurbaey, H. и др. Физ. Преподобный Летт. 120 , 183001 (2018).

   Артикул
   пабмед

   Google Scholar

10. Бернауэр, Дж. К. и др. Физ. Преподобный Летт. 105 , 242001 (2010).

    Артикул
    пабмед

    Google Scholar

11. Мор, П. Дж., Ньюэлл, Д. Б. и Тейлор, Б. Н. Rev. Mod. физ. 88 , 035009 (2016).

    Артикул

    Google Scholar

12. Гилман, Р. и др. Препринт на https://arxiv.org/abs/1709.09753 (2017).

13. Бейер, А. и др. Наука 358 , 79–85 (2017).

    Артикул
    пабмед

    Google Scholar

Загрузка ссылок

• Прочтите статью: Малый радиус заряда протона из эксперимента по электрон-протонному рассеянию.

• Прочтите статью: Измерение лэмбовского сдвига атомарного водорода и зарядового радиуса протона.

• Слабый заряд протона измерен

• Дважды магическое ядро, имеющее два лица

• Просмотреть все новости и просмотры

Субъекты

• Ядерная физика
• Атомная и молекулярная физика

Последнее:

Работа

• Постдокторские стипендиаты

  Клиника Кливленда

  Кливленд, Огайо, США

• Постдокторант

  Медицинский колледж Бейлора (BCM)

  Хьюстон, Техас, США

• Постдокторант

  Медицинский колледж Бейлора (BCM)

  Хьюстон, Техас, США

• Постдокторант

  Медицинский колледж Бейлора (BCM)

  Хьюстон, Техас, США

Новое измерение соответствует еще одной части головоломки протонного радиуса

Ядерная физика

23 октября 2020 г.

Используя первый за полвека новый метод измерения размера протона с помощью рассеяния электронов, физики-ядерщики получили новое значение радиуса протона.

Изображение предоставлено лабораторией Джефферсона

The Science

На картинках из учебника атомные ядра кажутся аккуратными, но на самом деле они представляют собой нечеткие облака субатомных частиц. Это затрудняет измерение размера положительно заряженных протонов в ядрах. Исторически сложилось так, что ученые использовали два разных метода, чтобы получить приблизительную меру размера протона. «Загадка протонного радиуса» возникла в 2010 году. Именно тогда новый, более чувствительный экспериментальный метод измерения размера протона путем замены электрона более тяжелым мюоном неожиданно показал значение, которое было на 4 процента меньше, чем полученное из двух предыдущие методы. Физики-ядерщики, возможно, теперь решили загадку радиуса протона с помощью нового уникального измерения радиуса заряда с использованием новой техники рассеяния электронов.

The Impact

Это новое исследование дает исследователям более точный способ измерения компонентов атома. Это поможет ученым лучше понять эти основные компоненты нашей Вселенной. Кроме того, результаты положили конец предположениям о том, что загадка радиуса протона предполагает существование новой силы природы, которая по-разному действует между электронами и мюонами.

Резюме

До 2010 года наиболее точные измерения радиуса заряда протона производились двумя разными экспериментальными методами. В экспериментах по рассеянию электронов электроны выстреливаются в протоны, а радиус заряда протона определяется изменением пути электронов после того, как они отскакивают или рассеиваются от протона. В измерениях атомной спектроскопии наблюдают переходы между энергетическими уровнями электронов (в виде фотонов, испускаемых электронами), когда они вращаются вокруг небольшого ядра, такого как водород (с одним протоном) или дейтерий (с одним протоном и один нейтрон). В сочетании эти два метода дали радиус 0,8751 ± 0,0061 фемтометра. В 2010 году физики-атомщики объявили о результатах нового метода, измеряющего переход между энергетическими уровнями мюонов на орбите вокруг созданных в лаборатории атомов водорода, заменяющих вращающийся по орбите электрон мюоном, который вращается намного ближе к протону и более чувствителен к радиус заряда протона. Этот результат дал значение, которое было на 4 процента меньше, чем раньше, и составило 0,84184 ± 0,00067 фемтометра. Это несоответствие было названо загадкой протонного радиуса. В 2012 году группа ученых собралась вместе, чтобы обновить метод рассеяния электронов для более точного измерения радиуса заряда протона. В эксперименте PRad был реализован новый тип системы мишеней без окон, которая позволяла рассеянным электронам почти беспрепятственно проникать в детекторы; в эксперименте использовалась комбинация устройств калориметра и газового электронного умножителя для определения положения и энергии электронов в относительно больших интервалах и с высокой точностью.