Содержание
Размер протона определен с беспрецедентной точностью
https://ria.ru/20201127/proton-1586580653.html
Размер протона определен с беспрецедентной точностью
Размер протона определен с беспрецедентной точностью — РИА Новости, 27.11.2020
Размер протона определен с беспрецедентной точностью
Немецкие физики с помощью новейшей технологии спектроскопии частотной гребенки экспериментально определили размер ядра атома водорода с точностью до 13 знаков… РИА Новости, 27.11.2020
2020-11-27T11:49
2020-11-27T11:49
2020-11-27T11:49
наука
технологии
германия
химия
физика
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/0b/1b/1586578682_0:176:3142:1943_1920x0_80_0_0_fc6abe7710ae293c6cbcb5bc44d5ad53.jpg
МОСКВА, 27 ноя — РИА Новости. Немецкие физики с помощью новейшей технологии спектроскопии частотной гребенки экспериментально определили размер ядра атома водорода с точностью до 13 знаков после запятой.
Это в два раза точнее, чем все предыдущие измерения. Важность открытия заключается в том, что оно снимает противоречия между разницей в измерениях в мюонном и обычном водороде. Результаты опубликованы в журнале Science.Физика — точная наука. Все вычисления в ней построены на значениях базовых величин, одна из которых — размер протона — элементарной частицы, образующей ядро водорода, самого простого и самого распространенного элемента во Вселенной.Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Электрон в атоме водорода, как говорят физики, «чувствует» размер протона, что отражается в минимальных сдвигах уровней его энергии. В течение многих десятилетий бесчисленные измерения водорода давали постоянный радиус протона. Но спектроскопические исследования так называемого мюонного водорода, в котором электрон был заменен его в 200 раз более тяжелым двойником — мюоном, дали значение радиуса протона на четыре процента меньше, чем у обычного водорода. Это противоречит теории квантовой электродинамики, в соответствии с которой радиусы протона в мюонном и обычном водороде должны быть одинаковыми.
Ученым из Института квантовой оптики Макса Планка удалось решить загадку радиуса протона, измерив его с помощью отмеченного в 2018 году Нобелевской премией метода генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов, который еще называют техникой частотной гребенки.Исследователи впервые применили его модификацию — бездоплеровскую двухфотонную частотную гребенчатую спектроскопию высокого разрешения — для возбуждения атомов водорода. Полученное ими значение оказалось вдвое точнее всех предыдущих: 0,8482 фемтометров, или 10-15 метров. Оно ближе к меньшему радиусу, полученному при оценке энергетического перехода в мюонном водороде. Хотя этот экзотический атом может существовать очень короткое время — две миллионные доли секунды, — он более «чувствителен» к радиусу протона и имеет наименьшие ошибки измерения. Авторы отмечают, что оценка справедливости квантовой электродинамики возможны только при сравнении нескольких независимых измерений. Если теория и ее применение верны и все эксперименты проводятся правильно, значения радиуса протона должны согласовываться друг с другом в пределах экспериментальной неопределенности.
Загадка радиуса протона — существенное расхождение между данными, полученными с мюонным водородом и обычным атомарным водородом, ставило под сомнение саму теорию квантовой электродинамики. Теперь понятно, что дело не в теории — проблема носила скорее экспериментальный, чем фундаментальный характер.Успех метода спектроскопии частотной гребенки в данном эксперименте, по мнению авторов, открывает путь для новых исследований. До сих пор прецизионная спектроскопия водорода и других атомов и молекул выполнялась исключительно с помощью лазеров непрерывного действия. Используя лазеры сверхкоротких импульсов, можно проникать в гораздо более короткие длины волн вплоть до крайнего ультрафиолетового диапазона, что позволит существенно повысить точность измерений.
https://ria.ru/20201125/neytrino-1586321490.html
германия
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.
xn--p1ai/awards/
2020
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
1920
1080
true
1920
1440
true
https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/0b/1b/1586578682_0:0:2732:2048_1920x0_80_0_0_c949985fce1de552d0db235c45818320.jpg
1920
1920
true
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.
7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
технологии, германия, химия, физика
Наука, Технологии, Германия, Химия, Физика
МОСКВА, 27 ноя — РИА Новости. Немецкие физики с помощью новейшей технологии спектроскопии частотной гребенки экспериментально определили размер ядра атома водорода с точностью до 13 знаков после запятой. Это в два раза точнее, чем все предыдущие измерения. Важность открытия заключается в том, что оно снимает противоречия между разницей в измерениях в мюонном и обычном водороде. Результаты опубликованы в журнале Science.
Физика — точная наука. Все вычисления в ней построены на значениях базовых величин, одна из которых — размер протона — элементарной частицы, образующей ядро водорода, самого простого и самого распространенного элемента во Вселенной.
Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона.
Электрон в атоме водорода, как говорят физики, «чувствует» размер протона, что отражается в минимальных сдвигах уровней его энергии.
В течение многих десятилетий бесчисленные измерения водорода давали постоянный радиус протона. Но спектроскопические исследования так называемого мюонного водорода, в котором электрон был заменен его в 200 раз более тяжелым двойником — мюоном, дали значение радиуса протона на четыре процента меньше, чем у обычного водорода. Это противоречит теории квантовой электродинамики, в соответствии с которой радиусы протона в мюонном и обычном водороде должны быть одинаковыми.
Ученым из Института квантовой оптики Макса Планка удалось решить загадку радиуса протона, измерив его с помощью отмеченного в 2018 году Нобелевской премией метода генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов, который еще называют техникой частотной гребенки.
Исследователи впервые применили его модификацию — бездоплеровскую двухфотонную частотную гребенчатую спектроскопию высокого разрешения — для возбуждения атомов водорода.
Полученное ими значение оказалось вдвое точнее всех предыдущих: 0,8482 фемтометров, или 10-15 метров. Оно ближе к меньшему радиусу, полученному при оценке энергетического перехода в мюонном водороде.
© Alexey Grinin et al., 2020Радиусы протона, полученные в предыдущих (черным) и данном (зеленым) исследованиях. Радиус мюонного водорода отмечен розовой полосой
© Alexey Grinin et al., 2020
Радиусы протона, полученные в предыдущих (черным) и данном (зеленым) исследованиях. Радиус мюонного водорода отмечен розовой полосой
Хотя этот экзотический атом может существовать очень короткое время — две миллионные доли секунды, — он более «чувствителен» к радиусу протона и имеет наименьшие ошибки измерения.
Авторы отмечают, что оценка справедливости квантовой электродинамики возможны только при сравнении нескольких независимых измерений. Если теория и ее применение верны и все эксперименты проводятся правильно, значения радиуса протона должны согласовываться друг с другом в пределах экспериментальной неопределенности.
Загадка радиуса протона — существенное расхождение между данными, полученными с мюонным водородом и обычным атомарным водородом, ставило под сомнение саму теорию квантовой электродинамики. Теперь понятно, что дело не в теории — проблема носила скорее экспериментальный, чем фундаментальный характер.
Успех метода спектроскопии частотной гребенки в данном эксперименте, по мнению авторов, открывает путь для новых исследований. До сих пор прецизионная спектроскопия водорода и других атомов и молекул выполнялась исключительно с помощью лазеров непрерывного действия. Используя лазеры сверхкоротких импульсов, можно проникать в гораздо более короткие длины волн вплоть до крайнего ультрафиолетового диапазона, что позволит существенно повысить точность измерений.
25 ноября 2020, 19:00Наука
Впервые зафиксированы нейтрино вторичного термоядерного цикла Солнца
| Адроны | |
| Альфа-распад | |
| Альфа-частица | |
| Аннигиляция | |
| Антивещество | |
| Антинейтрон | |
| Антипротон | |
| Античастицы | |
| Атом | |
| Атомная единица массы | |
| Атомная электростанция | |
| Барионное число | |
| Барионы | |
| Бета-распад | |
| Бетатрон | |
| Бета-частицы | |
| Бозе – Эйнштейна статистика | |
| Бозоны | |
| Большой адронный коллайдер | |
| Большой Взрыв | |
Боттом. Боттомоний | |
| Брейта-Вигнера формула | |
| Быстрота | |
| Векторная доминантность | |
| Великое объединение | |
| Взаимодействие частиц | |
| Вильсона камера | |
| Виртуальные частицы | |
| Водорода атом | |
| Возбуждённые состояния ядер | |
| Волновая функция | |
| Волновое уравнение | |
| Волны де Бройля | |
| Встречные пучки | |
| Гамильтониан | |
| Гамма-излучение | |
| Гамма-квант | |
| Гамма-спектрометр | |
| Гамма-спектроскопия | |
| Гаусса распределение | |
| Гейгера счётчик | |
| Гигантский дипольный резонанс | |
| Гиперядра | |
| Глюоны | |
| Годоскоп | |
| Гравитационное взаимодействие | |
| Дейтрон | |
| Деление атомных ядер | |
| Детекторы частиц | |
| Дирака уравнение | |
| Дифракция частиц | |
| Доза излучения | |
| Дозиметр | |
| Доплера эффект | |
| Единая теория поля | |
| Зарядовое сопряжение | |
| Зеркальные ядра | |
| Избыток массы (дефект массы) | |
| Изобары | |
| Изомерия ядерная | |
| Изоспин | |
| Изоспиновый мультиплет | |
| Изотопов разделение | |
| Изотопы | |
| Ионизирующее излучение | |
| Искровая камера | |
| Квантовая механика | |
| Квантовая теория поля | |
| Квантовые операторы | |
| Квантовые числа | |
| Квантовый переход | |
| Квант света | |
| Кварк-глюонная плазма | |
| Кварки | |
| Коллайдер | |
| Комбинированная инверсия | |
| Комптона эффект | |
| Комптоновская длина волны | |
| Конверсия внутренняя | |
| Константы связи | |
| Конфайнмент | |
| Корпускулярно волновой дуализм | |
| Космические лучи | |
| Критическая масса | |
| Лептоны | |
| Линейные ускорители | |
| Лоренца преобразования | |
| Лоренца сила | |
| Магические ядра | |
| Магнитный дипольный момент ядра | |
| Магнитный спектрометр | |
| Максвелла уравнения | |
| Масса частицы | |
| Масс-спектрометр | |
| Массовое число | |
| Масштабная инвариантность | |
| Мезоны | |
| Мессбауэра эффект | |
| Меченые атомы | |
| Микротрон | |
| Нейтрино | |
| Нейтрон | |
| Нейтронная звезда | |
| Нейтронная физика | |
| Неопределённостей соотношения | |
| Нормы радиационной безопасности | |
| Нуклеосинтез | |
| Нуклид | |
| Нуклон | |
| Обращение времени | |
| Орбитальный момент | |
| Осциллятор | |
| Отбора правила | |
| Пар образование | |
| Период полураспада | |
| Планка постоянная | |
| Планка формула | |
| Позитрон | |
| Поляризация | |
| Поляризация вакуума | |
| Потенциальная яма | |
| Потенциальный барьер | |
| Принцип Паули | |
| Принцип суперпозиции | |
| Промежуточные W-, Z-бозоны | |
| Пропагатор | |
| Пропорциональный счётчик | |
| Пространственная инверсия | |
| Пространственная четность | |
| Протон | |
| Пуассона распределение | |
| Пузырьковая камера | |
| Радиационный фон | |
| Радиоактивность | |
| Радиоактивные семейства | |
| Радиометрия | |
| Расходимости | |
| Резерфорда опыт | |
| Резонансы (резонансные частицы) | |
| Реликтовое микроволновое излучение | |
| Светимость ускорителя | |
| Сечение эффективное | |
| Сильное взаимодействие | |
| Синтеза реакции | |
| Синхротрон | |
| Синхрофазотрон | |
| Синхроциклотрон | |
| Система единиц измерений | |
| Слабое взаимодействие | |
| Солнечные нейтрино | |
| Сохранения законы | |
| Спаривания эффект | |
| Спин | |
| Спин-орбитальное взаимодействие | |
| Спиральность | |
| Стандартная модель | |
| Статистика | |
| Странные частицы | |
| Струи адронные | |
| Субатомные частицы | |
| Суперсимметрия | |
| Сферическая система координат | |
| Тёмная материя | |
| Термоядерные реакции | |
| Термоядерный реактор | |
| Тормозное излучение | |
| Трансурановые элементы | |
| Трек | |
| Туннельный эффект | |
| Ускорители заряженных частиц | |
| Фазотрон | |
| Фейнмана диаграммы | |
| Фермионы | |
| Формфактор | |
| Фотон | |
| Фотоэффект | |
| Фундаментальная длина | |
| Хиггса бозон | |
| Цвет | |
| Цепные ядерные реакции | |
| Цикл CNO | |
| Циклические ускорители | |
| Циклотрон | |
Чарм. Чармоний | |
| Черенковский счётчик | |
| Черенковсое излучение | |
| Черные дыры | |
| Шредингера уравнение | |
| Электрический квадрупольный момент ядра | |
| Электромагнитное взаимодействие | |
| Электрон | |
| Электрослабое взаимодействие | |
| Элементарные частицы | |
| Ядерная физика | |
| Ядерная энергия | |
| Ядерные модели | |
| Ядерные реакции | |
| Ядерный взрыв | |
| Ядерный реактор | |
| Ядра энергия связи | |
| Ядро атомное | |
| Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) |
msimagelist>
Протон
Proton
Протон – ядро
атома водорода, элементарная частица, относящаяся к классу барионов.
Вместе
с нейтроном протон входит в состав всех атомных ядер, определяя величину
его электрического заряда. Масса протона mр =
938.272 088 16(29) МэВ ≈ 1.672 621 923 69(51)·10−24 г. Его спин 1/2ћ и поэтому
он является фермионом.. Протон имеет положительный электрический заряд (равный
по величине заряду электрона е) и магнитный момент μр =+2.79μN, где μN = ећ/2mрс
– ядерный магнетон (использована Гауссова система единиц). Если бы протон
был бесструктурной точечной частицей, то его магнитный момент был бы близок
к μN. Размер протона около 10-13 см.
Он состоит из трёх кварков: двух u-кварков и одного d-кварка, т.е. его кварковая
структура uud.
Протон, являясь барионом, имеет барионное число В = +1. Закон
сохранения барионного числа требует стабильности протона – самого лёгкого
из барионов. Действительно, распад протона никогда не наблюдался и его время
жизни τр > 2.
1·1029 лет и, по-видимому,
даже превышает 1032 лет. Теории Великого объединения взаимодействий
предсказывают распад протона, однако, скорость такого распада исключительно
низка (соответственно время жизни чрезвычайно велико) и экспериментального
подтверждения этого пока не найдено.
Протон, будучи адроном, участвует в сильном взаимодействии, как
и во всех остальных.
См. также
- Proton mass energy equivalent in MeV
- Элементарные составляющие материи
- Структура нуклона
- Структура нуклона
- Изоспин ядра и нуклонов
- Глубоконеупругое рассеяние
электрона на протоне - Взаимные превращения частиц
- Горение водорода
- Протонная радиоактивность и
границы нуклонной устойчивости
Загадка похудевшего протона – DW – 06.02.2013
Ускоритель частицФото: dapd
Владимир Фрадкин
6 февраля 2013 г.
До сих пор диаметр протона был измерен двумя методами, и оба дали идентичные результаты. Теперь ученые использовали третий метод — и очень удивились…
https://p.dw.com/p/17Yjb
Реклама
Хотя общепринятая в физике элементарных частиц так называемая Стандартная модель является весьма стройной теоретической конструкцией, а предсказанные ею явления и эффекты с высокой точностью подтверждаются экспериментально, она все же не может считаться последним и окончательным словом в этой области знаний. И не только потому, что, описывая электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия, Стандартная модель не объясняет гравитацию, но еще и потому, что в последние годы исследователи в ходе сложных экспериментов все чаще получают результаты, не поддающиеся интерпретации в ее рамках.
Здесь можно упомянуть, скажем, о нейтринных осцилляциях, об асимметрии материи и антиматерии, о темном веществе и темной энергии и ряде других наблюдений, объяснить которые Стандартная модель не в состоянии.
Неудивительно, что разработка так называемой «новой физики», то есть физики за пределами Стандартной модели, ведется сегодня чрезвычайно активно.
Старый знакомый протон
Прежде всего, это касается, конечно же, поиска и изучения разного рода экзотических частиц вроде бозона Хиггса, но не только. Теперь весьма неожиданные результаты получены и в отношении такой, казалось бы, хорошо изученной частицы как протон. Протон — частица, входящая в состав атомного ядра. Таких частиц, образующих атомное ядро и называющихся нуклонами, всего две: протон и нейтрон. Они по всем параметрам очень похожи друг на друга, с той лишь разницей, что протон — положительно заряженная частица, а нейтрон электрического заряда не несет.
Полвека назад считалось, что протон и нейтрон — неделимые, действительно элементарные частицы, однако сегодня известно, это не так. Они состоят из так называемых кварков — частиц, обладающих электрическим зарядом, кратным 1/3 заряда электрона, и не встречающихся в свободном состоянии.
Существует 6 сортов (или, как их именуют физики, ароматов) кварков: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Протон состоит из одного нижнего и двух верхних кварков, нейтрон — из одного верхнего и двух нижних.
Два метода — один результат
Понятно, что при наличии такой структуры представлять себе нуклон в виде миниатюрного шарика не вполне верно, и это, конечно, затрудняет определение линейных размеров частицы. Тем не менее, такие измерения были выполнены, и даже не одним, а двумя разными методами. Альдо Антоньини (Aldo Antognini), научный сотрудник Швейцарской высшей технической школы Цюриха, поясняет: «Первый метод, примененный для определения размеров протона, состоял в бомбардировке водорода быстрыми электронами. Ядра атомов водорода — то есть протоны — рассеивали пучок электронов, и углы отклонения электронов от первоначальной траектории позволили определить приблизительный размер протона. За эти исследования в 1961 году была присуждена Нобелевская премия».
Позже был предложен второй метод, заключавшийся в облучении водородных атомов лазером. Анализируя то, как единственный электрон водорода реагирует на лазерные импульсы, исследователи смогли вычислить величину ядра. Оба метода дали идентичные результаты, и ученые решили, что диаметр протона (если все же принять его за шар) составляет примерно 0,88 фемтометра (фемтометр — это десять в минус пятнадцатой степени метра, то есть одна миллионная доля одной миллионной доли миллиметра).
Атом водорода с мюоном вместо электрона
Все было отлично до тех пор, пока Альдо Антоньини и его коллеги не предложили третий метод измерения размера протона. «В нашем эксперименте мы использовали мюонный водород. Это весьма экзотическая разновидность водорода, в атоме которого электрон заменен мюоном, — поясняет ученый. — У мюона такой же заряд, что и у электрона, но масса в 207 раз больше, поэтому мюонная оболочка такого атома водорода оказывается гораздо ближе к ядру, нежели электронная оболочка обычного водородного атома.
Именно это и позволило нам с высокой точностью определить размер протона».
Стоит ли говорить о том, каких невероятных трудов это стоило! Мюоны просто так в природе практически «не водятся», так что исследователи получали их с помощью ускорителя, а затем бомбардировали ими протоны. Время от времени случалось, что протон захватывал пролетающий мимо мюон, образуя атом мюонного водорода. Но мюон — частица нестабильная, продолжительность ее жизни составляет чуть больше 2 микросекунд, затем она распадается. Таким образом, на измерения у физиков было всего лишь 2 микросекунды.
Ошибка эксперимента или новая физика?
Однако эксперимент все же удался. Но вот его результаты, опубликованные в журнале Science, изрядно озадачили ученых. «Мы были очень удивлены, поскольку получили значение, почти на 5 процентов меньшее прежнего: 0,84 вместо 0,88 фемтометра, — говорит Альдо Антоньини. — Это весьма существенное отклонение. Для его объяснения есть только две возможности: либо в наши эксперименты вкралась какая-то грубая ошибка, либо тут проявилась новая физика».
Чтобы прояснить ситуацию, потребуется обширная серия новых экспериментов. Возможно, при этом исследователи выявят неточности того или иного метода измерения и подтвердят либо прежнее, либо новое значение диаметра протона. Но не исключено также, что будет подтверждена зависимость размера протона от метода измерения: если использовать для этих целей электроны — он чуть больше, если мюоны — чуть меньше. Такое различие в поведении протона по отношению к электронам и мюонам противоречило бы Стандартной модели и потребовало бы от теоретиков немало находчивости для объяснения феномена.
Реклама
Пропустить раздел Топ-тема
1 стр. из 3
Пропустить раздел Другие публикации DW
На главную страницу
Насколько велик протон? Головоломка с размером частиц приближается к разрешению
Насколько велик протон? Головоломка размером с частицу приближается к разрешению
Скачать PDF
- НОВОСТИ
- Исправление 11 ноября 2019 г.
Точное измерение подтверждает, что радиус частицы меньше, чем когда-то думали физики.
- Давиде Кастельвекки
Давиде Кастельвекки
Посмотреть публикации автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed
Google ученый
У вас есть полный доступ к этой статье через ваше учреждение.
Скачать PDF
Скачать PDF
Ускоритель CEBAF в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона в Ньюпорт-Ньюсе, штат Вирджиния, использовался для измерения радиуса протона.
Фото: Лаборатория Джефферсона Министерства энергетики США.0003
Долгожданный экспериментальный результат показал, что протон примерно на 5% меньше, чем ранее принятое значение. Открытие 1 помогло пересмотреть официальный размер частицы и, похоже, положило конец «загадке радиуса протона», которая занимала физиков с 2010 года. , радиус частицы составляет 0,831 фемтометра. Это измерение вместе с параллельным измерением, проведенным с использованием другой методики, было опубликовано 9.0039 2 в Наука в сентябре известна специалистам с прошлого года. Полученные данные побудили Комитет по данным для науки и технологий (CODATA) — организацию, которая записывает самые современные измерения фундаментальных констант природы — пересмотреть свой справочник в конце 2018 года, говорит Кшиштоф Пачуцкий, теоретик. физик из Варшавского университета, возглавляющий рабочую группу CODATA. Хотя некоторые исследователи все еще проявляют осторожность, он считает, что последние работы «определенно решили загадку».
Физики используют два основных метода измерения размера протона. Один зависит от того, как электроны вращаются вокруг атомных ядер. Поскольку некоторые электронные орбиты проходят через протоны в ядре, размер протонов влияет на то, насколько сильно электроны связаны с ядром. Таким образом, точные измерения различий между уровнями энергии различных электронов — метод, известный как спектроскопия, — позволяют оценить радиус протона. Второй метод заключается в том, чтобы поразить атомы пучком частиц и увидеть, как эти частицы рассеиваются ядрами.
Около поворота
Около десяти лет назад казалось, что и спектроскопия, и эксперименты по рассеянию сошлись на радиусе протона 0,8768 фемтометра (миллионные доли миллионной миллиметра).
Но в 2010 году новый поворот в спектроскопии внес неопределенность в этот идиллический консенсус. В Институте Пауля Шеррера (PSI) в Виллигене, Швейцария, физики создали экзотические атомы водорода, заменив электроны мюонами, элементарной частицей, похожей на электрон, но в 200 раз более массивной.
Поскольку мюоны проводят больше времени внутри протона, их энергетические уровни затрагиваются гораздо сильнее, чем энергетические уровни электронов. Это означает, что мюонные измерения радиуса протона должны быть в миллионы раз более точными, чем измерения с использованием обычного водорода. Команда измерила радиус протона 0,84184 фемтометра9.0039 3 .
Рандольф Поль, руководивший измерением мюонного водорода и сейчас работающий в Университете Иоганна Гутенберга в Майнце, Германия, участвовал в других мюонных экспериментах, которые подтвердили это значение. Некоторое время исследователи надеялись, что это несоответствие может выявить ранее неизвестную разницу в поведении электронов и мюонов — что-то, что могло разрушить устоявшуюся квантовую теорию электромагнитных явлений.
Однако совсем недавно улучшенные эксперименты по спектроскопии с использованием обычного водорода обнаружили сжатый протон, что позволяет предположить, что мюоны не были такими уж особенными.
Перспектива революции в физике начала меркнуть. Эти усилия завершились Наука бумага 2 . Потратив восемь лет на совершенствование метода спектроскопии, команда, стоящая за этой работой, обнаружила радиус 0,833 фемтометра, что согласуется со значением, полученным в экспериментах с мюонами.
Но более традиционные эксперименты по спектроскопии, проведенные в Сорбонне в Париже, по-прежнему расходились с этим результатом 4 . И никто не мог объяснить, почему метод рассеяния указывал на более крупный протон. Теперь впервые в эксперименте по рассеянию обнаружен протон меньшего размера.
Повышенная точность
В последнем эксперименте под названием PRad использовался ускоритель в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона в Ньюпорт-Ньюс, штат Вирджиния. PRad направляет пучок электронов на молекулы водорода и измеряет отклонение некоторых электронов. В предыдущих экспериментах по рассеянию использовались пучки электронов с более высокими энергиями, которые имеют ограниченную чувствительность к радиусу протона, а затем экстраполировались на более низкие энергии электронов для определения радиуса.
Это означало, что им приходилось делать теоретические предположения, которые могли исказить окончательные результаты. Но более низкие энергии, используемые PRad, решают эту проблему.
Чтобы еще больше повысить точность, PRad ввел свои молекулы водорода непосредственно в вакуумную трубу, по которой проходит электронный луч, вместо того, чтобы держать его в металлическом контейнере, как это делалось во многих предыдущих экспериментах. Это означает, что электроны не ударяются о металл и не мешают измерению. Более того, команда одновременно измерила, как пучок рассеивает не только протоны водорода, но и его электроны. Сравнение двух типов рассеяния означало, что другой крупный источник ошибок — флуктуации плотности водорода — можно было исключить, и этот метод Поль назвал «очень умным».
Ашот Гаспарян, физик-ядерщик из Университета штата Северная Каролина A&T в Гринсборо, представитель PRad, считает, что он все еще может усовершенствовать свой эксперимент, чтобы еще больше повысить его точность.
Но Ян Бернауэр, физик из Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке, руководивший более ранними измерениями рассеяния, обнаружившими более крупный протон, не совсем убежден в результатах PRad. «Я не думаю, что головоломка еще полностью решена, но мы добились больших успехов». Он говорит, что запланированные эксперименты, в том числе тот, который начинается в PSI, вероятно, решат загадку раз и навсегда.
Теоретики сходят с ума, придумывая теории для объяснения аномального мюона, так что завершение саги оставит многих физиков в меланхолии. «Я не думаю, что осталась хоть какая-то надежда на то, что несоответствие радиуса протона может быть связано с какой-то новой физикой», — говорит Поль. Но, добавляет он, эксперименты, направленные на то, чтобы снизить точность еще на один порядок, все же могут обнаружить более мелкие отклонения от установленной теории. «Все эти идеи не исчезают только потому, что измерения совпадают».
Природа 575 , 269-270 (2019)
doi: https://doi.
org/10.1038/d41586-019-03432-4
Обновления и исправления
Исправление от 11 ноября 2019 г. : в более ранней версии этой истории была искажена принадлежность Яна Бернауэра.
Каталожные номера
Сюн, В. и др. Природа 575 , 147–150 (2019).
Артикул
Google ученый
Безгинов Н. и др. Наука 365 , 1007–1012 (2019).
ПабМед
СтатьяGoogle ученый
Поль, Р. и др. Природа 466 , 213–216 (2010).
ПабМед
СтатьяGoogle ученый
«>Fleurbaey, H. и др. Физ. Преподобный Летт. 120 , 183001 (2018).
ПабМед
Статья
Google ученый
Скачать ссылки
Загадка размером с протон углубляется
Протон уменьшается в размерах
Работа
Доцент
Гарвардский факультет биомедицинской информатики (DBMI)
Бостон, Массачусетс, США
Доцент-исследователь
Университет Флориды (UF)
Гейнсвилл, Флорида, США
Старший научный сотрудник в области биоинформатики
DELFI Diagnostics
Балтимор, Мэриленд, США
Должность постдокторского научного сотрудника, финансируемого NIH, в области метаболизма рака поджелудочной железы и мультиомных исследований.
Университет Оклахомы (OU)
Оклахома-Сити, штат Оклахома, США
Насколько мал протон? Меньше, чем кто-либо думал
Протон, этот маленький положительно заряженный самородок внутри
атом, на доли квадриллионной метра меньше, чем кто-либо думал,
Согласно новому исследованию, опубликованному 7 ноября в журнале Nature.
Хайян Гао из Duke Physics
В работе, которая, как они надеются, решает спорную «загадку радиуса протона», которая волновала некоторые уголки физики в последнее десятилетие, группа ученых, включая физика герцога Хайяна Гао, по-новому подошла к вопросу о радиусе протона и обнаружила, что это 0,831 фемтометра в поперечнике, что примерно на 4 процента меньше, чем лучшее предыдущее измерение с использованием электронов из ускорителей. (Прочитайте статью!)
Один фемтометр равен 0,000000000000039370 дюймов
имперский, если это поможет, или думайте об этом как о миллионной части миллиардной части
метра.
И новый радиус составляет всего 80 процентов от этого.
Но это большое — и очень маленькое — дело для
физикам, потому что любой точный расчет энергетических уровней в атоме будет
сказал Гао, который является Генри
Ньюсон, профессор физики в Тринити-колледже искусств и наук.
Боровская модель водорода. Один протон, один электрон, настолько просто, насколько это возможно.
На самом деле физики измерили радиус
распределение заряда протона, но это никогда не бывает гладкой сферической точкой,
— объяснил Гао. Протон состоит из еще меньших частиц, называемых кварками, которые
имеют свои собственные заряды, и они неравномерно распределены. И ничего
сидеть на месте. Так что это своего рода движущаяся мишень.
Одним из способов измерения радиуса заряда протона является рассеяние
электронный пучок от ядра атома водорода, состоящего из
один протон и один электрон. Но электрон должен лишь сильно возмущать протон.
осторожно, чтобы позволить исследователям сделать вывод о размере заряда, вовлеченного в
взаимодействие.
Другой подход измеряет разницу между двумя атомными
энергетический уровень водорода. Прошлые результаты этих двух методов, как правило,
согласовано.
Художественная концепция очень счастливого мюона от Particle Zoo
Но в 2010 году эксперимент в Институте Пауля Шеррера заменил электрон в атоме водорода мюоном, гораздо более тяжелым и короткоживущим членом семейства электронных частиц. Мюон по-прежнему отрицательно заряжен, как электрон, но он примерно в 200 раз тяжелее, поэтому может вращаться намного ближе к протону. Измерив разницу между энергетическими уровнями мюонного водорода, эти физики получили радиус заряда протона, который является очень точным, но намного меньшим, чем ранее принятое значение. И это положило начало спору, который они окрестили «загадкой радиуса заряда протона».
Чтобы решить загадку, Гао и ее сотрудники отправляются
провести совершенно новый тип эксперимента по рассеянию электронов с рядом
инновации. И они смотрели на рассеяние электронов как на протоне, так и на
электрон атома водорода одновременно.
Им также удалось получить
пучок электронов рассеялся при температуре около нуля градусов, то есть он пришел почти
прямо вперед, что позволило электронному лучу «почувствовать» заряд протона
ответ точнее.
Вуаля, протон на 4 процента меньше. «Но на самом деле это
гораздо сложнее, — сказал Гао, преуменьшая.
Работа выполнена в Департаменте энергетики Томаса
Национальный ускорительный комплекс Джефферсона в Ньюпорт-Ньюсе, штат Вирджиния, с использованием новых
оборудование, поддерживаемое как Национальным научным фондом, так и Департаментом
энергии, а также некоторые детали, специально созданные для этого эксперимента. «К
решить спор, нам нужен был новый подход», — сказал Гао.
Гао сказала, что ее интересовал этот вопрос почти
20 лет, с тех пор как она узнала о двух разных значениях протона.
радиус заряда, оба из экспериментов по рассеянию электронов. «Каждый требовал около 1 процента
неопределенность, но они расходились на несколько процентов», — сказала она.
И как всегда в современной физике, ответа не было
сработано так аккуратно, что могло бы поставить под сомнение части стандарта
Модель физики элементарных частиц.
Но увы, не в этот раз.
«Это особенно важно по ряду причин»,
— сказал Гао. Протон является фундаментальным строительным блоком видимой материи.
Энергетический уровень водорода является базовой единицей измерения, на которую опираются все физики.
на.
Новая мера может также помочь в продвижении нового понимания
квантовая хромодинамика (КХД), теория сильного взаимодействия в кварках и
глюонов, сказал Гао. «Мы действительно не понимаем, как работает КХД».
— Это очень, очень большое дело, — сказала она. «Поле есть
очень взволнован этим. И я должен добавить, что этот эксперимент не имел бы
были настолько успешными без героического вклада наших очень талантливых
а также трудолюбивые аспиранты и постдоки Университета Дьюка».
Эта работа частично финансировалась Национальным научным фондом США (NSF MRI PHY-1229153) и Министерством энергетики США (контракт № DE-FG02-03ER41231), включая контракт № DE-AC05-06OR23177, согласно которому Компания Jefferson Science Associates, LLC управляет Национальным ускорительным комплексом Томаса Джефферсона.
ЦИТАТА: «Малый радиус заряда протона из эксперимента по рассеянию электронов-протонов», В. Сюн, А. Гаспарян, Х. Гао и др. Nature, 7 ноября 2019 г. DOI: 10.1038/s41586-019-1721-2 (ОНЛАЙН)
Насколько велик протон на самом деле?
После измерения 2010 года несколько групп представили некоторые подтверждающие значения, а некоторые сообщили о противоречивых данных. В 2017 году группа Пола использовала другую установку для измерения, которое также показало меньший радиус протона. Но ранее в этом году группа из Франции сообщила о большем радиусе протона. Независимые исследователи также безрезультатно повторно проанализировали результаты экспериментов. Например, независимый анализ данных Пола за 2010 год, проведенный в 2012 году, согласуется с предыдущими цифрами Пола. «Загадка радиуса протона становится еще более загадочной», — сказал Поль во время пресс-конференции на встрече.
Как и в случае любой головоломки, исследователи в восторге от перспектив новой физики.
«С теоретической точки зрения это расхождение очень серьезное, потому что мы не можем объяснить его в рамках Стандартной модели», — говорит Кшиштоф Пачуцкий, теоретик из Варшавского университета в Польше. Знаменательное измерение протонов Поля в 2010 году было первым, в котором использовался мюонный водород — протон, вращающийся вокруг мюона, более тяжелого кузена электрона — тогда как в предыдущих экспериментах использовался обычный водород. Несоответствие между двумя методами может указывать на ошибку в теории квантовой электродинамики, описывающей взаимодействие этих частиц.
Но непонятно, в чем может быть ошибка, — говорит Пачуки. Это несоответствие может исчезнуть при введении новых частиц, но варианты «очень искусственные», говорит он.
Также возможно, что несоответствие является просто результатом экспериментальной ошибки, по словам Пола. Стратегия теперь состоит в том, чтобы сделать больше измерений радиуса протона, но с помощью других методов. Таким образом, каждое измерение не будет страдать от одних и тех же систематических неопределенностей, а в совокупности любой намек на новую физику будет более убедительным.
Исследователи могут выбирать из множества методов. Во-первых, им нужно решить, какой протонсодержащий образец они хотят использовать для своих измерений. Как правило, им необходимо использовать систему, достаточно простую для точного моделирования теорией. Простейшей системой является водород, но могут использовать и его изотоп дейтерий, ядро которого состоит из дополнительного нейтрона. Или они могут заменить электрон в этих системах мюоном. В дополнение к мюонному водороду группа Пола также измерила протон через мюонный дейтерий: мюон, вращающийся вокруг дейтрона. Согласно Пачуки, однократно ионизированный гелий (He + ) является многообещающей системой, потому что ее теория относительно хорошо изучена. «Теория для He + столь же точна, как и для водорода», — говорит он.
Исследователи также должны выбрать, как они будут измерять радиус протона. Двумя основными вариантами являются рассеяние электронов или спектроскопия. В эксперименте по рассеянию электроны направляются на образец водорода или дейтерия.
По мере приближения электронов протоны отклоняют их, и величина отклонения связана с размером протона.
Кроме того, они также могут измерять радиус протона, точно измеряя энергетические уровни системы с помощью спектроскопии. Если они выберут этот путь, им придется выбирать, какие энергетические переходы изучать. Исследователи выбрали множество энергетических переходов, которые включают различные установки и методы анализа данных.
В 2010 году, например, группа Пола использовала спектроскопический метод: с помощью лазерных зондов они измерили щель между энергетическими уровнями в мюонном водороде, называемую лэмбовским сдвигом. Сдвиг Лэмба относится к небольшой разнице между двумя состояниями в водородоподобных атомах, изначально предсказываемых как имеющие одинаковую энергию согласно ранней теории квантовой механики. Эта энергетическая щель существует отчасти потому, что электрон ведет себя как квантовое «облако», которое простирается даже внутри атомного ядра. «Это буквально означает, что электрон, вращающийся вокруг протона в водороде, проводит некоторое время внутри протона», — говорит Поль.
Поскольку размер энергетической щели зависит от размера протона, измерение лэмбовского сдвига дает радиус протона.
Для достижения точности, необходимой для этого измерения, каждый компонент эксперимента должен быть полностью понят. Например, любые внешние электромагнитные поля могут повлиять на измерение, а выходной сигнал лазеров должен быть охарактеризован с исключительной точностью. «Это действительно забавный материал, — говорит Поль. «Ты узнаешь что-то новое каждый день.» Но такой уровень детализации также означал, что Полу потребовалось около десяти лет, чтобы провести измерения 2010 года.
Самая последняя рекомендация CODATA для значения радиуса протона, которое является средним значением многих предыдущих экспериментов, не включала ни одно из меньших значений в свои расчеты. В ноябре 2014 года на встрече под Парижем, на которой присутствовали Пол, Пачуки и Ньюэлл, группа решила их не включать. В конечном счете, Поль предложил не включать аберрантные значения. Он указал, что основное применение значения CODATA — изучение обычного водорода, а все несоответствующие значения радиуса получены из мюонных систем.