На днях вышли две работы по физике, которые с разных сторон решили задачу аномального размера протона, возникшую 15 лет назад. Современная физика элементарных частиц не допускает наличия аномалий в характеристиках частиц — точность их определения достигает 12-го знака после запятой, что не оставляет места для неопределённости. И всё же проведённые в 2010 году измерения радиуса протона не совпали с предыдущими значениями, что до сих пор оставалось загадкой.
Традиционно радиус протона измеряется на примере атома водорода, который содержит один протон и один электрон. Строго говоря, протон не имеет физических размеров как некая монолитная частица. Он состоит из трёх обладающих зарядом кварков, удерживаемых вместе сильным ядерным взаимодействием и, по сути, представляет собой облако возможного расположения этих субатомных частиц в пространстве. Поэтому размеры протона принято описывать радиусом распределения плотности заряда кварков. Там, где заряд оказывается меньше определённого порогового значения, для физиков протон заканчивается.
Границы протона (распределение плотности заряда) измеряются с помощью электрона. Электрон находится рядом с протоном в электронном облаке — во всех возможных положениях, допускаемых его волновой функцией. Напомним, электрон «летал» по орбитам вокруг ядра в теориях столетней давности. Квантовая механика такого не допускает и считает, что до измерения положения электрона он одновременно находится в любом месте своего электронного облака (принцип суперпозиции). Для более точного измерения радиуса протона электрон заменяют на его более тяжёлого собрата — мюон. Мюон удерживается намного ближе к протону и тем самым позволяет уменьшить погрешность измерений.
Аномалия измерений возникла в 2010 году, когда группа учёных из Института квантовой оптики Макса Планка провела спектроскопию мюонного водорода. Мюоны в 200 раз тяжелее электронов и поэтому позволяют в десять миллионов раз точнее «прощупывать» внутреннюю структуру протона. Полученное значение радиуса — 0,841 фемтометра — оказалось меньше общепринятого до этого значения 0,876 фм, выведенного из электрон-протонного рассеяния и обычной спектроскопии. Измерение было сделано с достоверностью более 5 сигма и принято научным сообществом к рассмотрению. Последующие эксперименты 2013–2019 годов в основном подтверждали меньший размер, однако отдельные измерения в обычном водороде продолжали показывать прежнее, большее значение, что порождало споры.
В новых работах, проведённых научными командами из Калифорнии и Университета штата Колорадо, были использованы сверхточные лазерные методы в вакуумных камерах с обычными атомами водорода. Учёные контролировали движение электронов и измеряли разницу энергетических уровней, что позволило независимо определить радиус заряда протона. Одна статья в Nature, а вторая — в Physical Review Letters дали результаты, которые были в три и два раза точнее предыдущих измерений 2019 года соответственно. Комбинированный анализ подтвердил значение около 0,84 фемтометра с рекордной статистической значимостью в 5,5 сигма.
Таким образом, загадка размера протона разрешена в пользу меньшего радиуса, что полностью согласуется со Стандартной моделью и исключает необходимость в новых частицах или силах. «Мы считаем, что это последний гвоздь в гроб этой загадки», — заявил один из авторов статьи в Nature. Это не только закрывает давний спор, но и открывает путь к ещё более строгим проверкам фундаментальной физики.
