Загадка радиуса протона - Proton radius puzzle
Радиус протона головоломка является без ответа проблемы в области физики , связанную с размером протона . Исторически зарядовый радиус протона измерялся двумя независимыми методами, которые сходились к значению около 0,877 фемтометра (1 фм = 10 -15 м). Это значение было поставлено под сомнение в эксперименте 2010 года с использованием третьего метода, который дал радиус примерно на 4% меньше этого - 0,842 фемтометра. Новые экспериментальные результаты, опубликованные осенью 2019 года, согласуются с меньшим измерением. Хотя некоторые считают, что это различие было устранено, это мнение еще не принято всеми.
Проблема
До 2010 года зарядовый радиус протона измерялся одним из двух методов: одним методом спектроскопии, а другим - ядерным рассеянием.
Спектроскопический метод
В методе спектроскопии используются уровни энергии электронов, вращающихся вокруг ядра. Точные значения уровней энергии чувствительны к радиусу ядра. Для водорода, ядро которого состоит только из одного протона, это косвенно измеряет радиус протона. Измерения уровней энергии водорода теперь настолько точны, что радиус протона является ограничивающим фактором при сравнении экспериментальных результатов с теоретическими расчетами. Этот метод дает протон с радиусом около(8,768 ± 0,069) × 10 −16 м (или0,8768 ± 0,0069 фм ) с относительной погрешностью около 1%.
Ядерное рассеяние
Ядерный метод похож на эксперименты Резерфорда по рассеянию, которые установили существование ядра. Маленькие частицы, такие как электроны, могут стрелять в протон, и, измеряя, как электроны рассеиваются, можно сделать вывод о размере протона. В соответствии с методом спектроскопии это дает протон с радиусом около(8,775 ± 0,005) × 10 −16 м (или0,8775 фм ).
2010 эксперимент
В 2010 году Pohl et al. опубликовал результаты эксперимента, основанного на мюонном водороде, а не на обычном водороде. Концептуально это похоже на метод спектроскопии. Однако гораздо более высокая масса мюона заставляет его вращаться по орбите в 207 раз ближе, чем электрон, к ядру водорода, где, следовательно, он гораздо более чувствителен к размеру протона. Результирующий радиус записывался как0,842 ± 0,001 фм , на 5 стандартных отклонений (5σ) меньше, чем при предыдущих измерениях. Вновь измеренный радиус на 4% меньше, чем предыдущие измерения, точность которых считалась не более 1%. (Предел неопределенности нового измерения всего 0,1% вносит незначительный вклад в расхождение.)
С 2010 г. дополнительные измерения с использованием электронов предыдущими методами немного снизили расчетный радиус до (8,751 ± 0,061) × 10 −16 м (0,8751 ± 0,0061 фм ), но за счет еще большего уменьшения неопределенности несогласие с экспериментом с мюонным водородом ухудшилось до более чем 7σ.
Последующий эксперимент Pohl et al. в августе 2016 года использовал атом дейтерия для создания мюонного дейтерия и измерил радиус дейтрона. Этот эксперимент позволил сделать измерения в 2,7 раза более точными, но также обнаружил расхождение на 7,5 стандартных отклонений меньше ожидаемого значения. В 2017 году группа Поля провела еще один эксперимент, на этот раз с использованием атомов водорода, возбужденных двумя разными лазерами. Измеряя энергию, высвобождаемую, когда возбужденные электроны возвращаются в состояния с более низкой энергией, можно вычислить постоянную Ридберга и, исходя из этого, определить радиус протона. Результат снова на ~ 5% меньше общепринятого радиуса протона. В 2019 году в другом эксперименте сообщалось об измерении размера протона с использованием метода, который не зависел от постоянной Ридберга - его результат, 0,833 фемтометра, еще раз совпал с меньшим значением 2010 года.
Предлагаемые резолюции
Аномалия остается нерешенной и активно исследуется. Пока нет убедительных причин сомневаться в достоверности старых данных. Непосредственная забота заключается в том, чтобы другие группы воспроизвели аномалию.
Неопределенный характер экспериментальных данных не остановил теоретиков от попыток объяснить противоречивые результаты. Среди постулируемых объяснений - трехчастичная сила , взаимодействие между гравитацией и слабой силой или зависящее от аромата взаимодействие, гравитация более высокого измерения , новый бозон и квазисвободный
π+
гипотеза.
Артефакт измерения
Рандольф Поль, первый исследователь головоломки, заявил, что, хотя было бы «фантастически», если бы головоломка привела к открытию, наиболее вероятным объяснением будет не новая физика, а какой-то артефакт измерения. Его личное предположение состоит в том, что прошлые измерения не позволили измерить постоянную Ридберга и что текущий официальный размер протона неточен.
Квантовый хромодинамический расчет
В статье Белушкина и др . (2007), включая различные ограничения и пертурбативную квантовую хромодинамику, предсказал меньший радиус протона, чем 0,877 фемтометра, который был принятым значением в то время.
Экстраполяция радиуса протона
В документах от 2016 года предполагалось, что проблема заключалась в экстраполяциях, которые обычно использовались для извлечения радиуса протона из данных о рассеянии электронов, хотя это объяснение потребовало бы, чтобы была также проблема с измерениями атомного лэмбовского сдвига.
Метод анализа данных
В одной из попыток решить загадку без новой физики Аларкон и др . (2018) из лаборатории Джефферсона предложили, что другой метод для согласования экспериментальных данных рассеяния теоретически, а также аналитически обоснованным образом дает радиус заряда протона из существующих данных рассеяния электронов, который согласуется с измерением мюонного водорода. По сути, этот подход объясняет причину загадки радиуса протона неспособностью использовать теоретически обоснованную функцию для извлечения радиуса заряда протона из экспериментальных данных. В другой недавней статье показано, как простое, но теоретически мотивированное изменение предыдущей подгонки также дает меньший радиус.
Проблемы релятивистской системы отсчета
Другие исследователи предположили, что анализ, используемый для электронного протонного зарядового радиуса, может не учитывать должным образом остальные системы отсчета различных компонентов экспериментов в свете специальной теории относительности. Факторы поляризации в мюонном водороде, которые не являются существенными для обычного водорода, также были предложены в качестве возможного решения.
Еще одна статья в апреле 2019 года предположила, что масштабная относительность может дать ответ, основанный на релятивистских размерах протонов и мюонов.
Измерения 2019
В сентябре 2019 года Безгинов и соавт. сообщил о повторном измерении зарядового радиуса протона для электронного водорода и нашел результат, соответствующий значению Поля для мюонного водорода. В ноябре W. Xiong et al. сообщили о аналогичном результате, используя рассеяние электронов с чрезвычайно низким переданным импульсом.
Их результаты подтверждают меньший радиус заряда протона, но не объясняют, почему результаты до 2010 года оказались больше. Вполне вероятно, что будущие эксперименты смогут как объяснить, так и решить загадку радиуса протона.