Ядро дейтерия меньше, чем предполагали раньше, – свидетельствуют новые исследования. Эти вторично новые вычисления указывают на отклонения радиуса атомного ядра от общепринятого значение. Эти погрешности означают, что одна из базовых физических величин – радиус протона – до сих пор была определена неправильно, информируют ученые в журнале Science.
Если это подтвердится, придется подкорректировать немало природных констант.
Протон – одна из фундаментальных составляющих материи, ведь вместе с нейтронами образует атомное ядро. Свойства протонов лежат в основе важных физических неизменных, в частности это касается постоянной Ридберга, благодаря которой определяют спектральные линии некоторых элементов. То есть, когда значение, например, размера протона, которое считают общепринятым, называют ложным или неточным, наступают серьезные последствия.
Собственно это произошло в 2010 году, когда с помощью лазерной спектроскопии ученые перемеряли радиус протона. При этом вместо признанной до величины (0,8768 фемтометра), исследователи получили отметку 0,84184 фемтометра. То есть протон был меньшим, чем ранее предполагали. Эти результаты измерения привели к беспокойству и ярым дискуссиям.
Вероятно, что данные были ложными? Или старое значение было правильным? Действовала ли тогда неизвестная физическая сила? «После 2010, когда опубликовали наше исследование, я боялся, что среагируют опытные физики и укажут нам на грубую ошибку, – рассказывает Рендоьлф Пол (Randolf Pohl) из Университета Майнца.– Но прошли годы, и по сей день не произошло ничего подобного».
Зато новые измерения только углубляют тайну протонового радиуса. Недавно Поль и его коллеги заново определили радиус другого атомного ядра, на этот раз ядра дейтерия – дейтрона . Эта частица состоит из протона и нейтронов, то есть является простейшим из составных атомных ядер.
И снова новые значения, полученные благодаря лазерной спектроскопии, отличаются от старых данных. Раньше радиус дейтрона считали равным 2,1424 фемтометрам, а теперь исследователи получили значение 2, 12562 фемтометров. «Это подтверждает, что протоновий радиус меньше, как было и с мюонным водородом. то есть тайна вокруг радиуса протона все углубляется», – считает Поль.
В своих исследованиях ученые пользовались лазерной спектроскопией. Для этого в формуле тяжелой воды они заменили электрон дейтерия на мюон. Эта элементарная частица также отрицательно заряжена и очень похожая на электрон, но почти в 200 раз тяжелее от него. В связи с этим мюони двигаются значительно ближе к ядру атома, а пути их движения сильно зависят от размера ядра.
С сверхсложной системой импульсного лазера ученые предоставили мюону энергии (при правильных длин волн мюон временно может подниматься на более высокий энергетический уровень). Падая обратно в нормальное состояние, он отправляет рентгеновские фотоны. Учитывая их количество можно определить энергетическую дистанцию мюонных путей вокруг ядра, а затем и радиус дейтрона.
Определенный благодаря новому методу радиус дейтрона снова подтверждает, что протон должен быть меньше, чем предполагали на протяжении длительного времени. «Можно было бы сказать, это предположение теперь подтвердили уже дважды», – считает Поль.
Почему новые значения отличаются от старых, неоднократно измеряемых длин, остается невыясненным. Ученые склонны считать, что ошибки допустили когда-то, но не теперь. «В том, что наш метод лазерной спектроскопии может ошибиться, никто из сообщества не верит, – объясняет соавтор Альдо Антогнини (Aldo Antognini) из Института имени Пола Шеррера. – Зато тайну легко разгадать, если принять во внимание минимальную экспериментальную проблему водородной спектроскопии». Этим методом получили часть предварительных данных о размере протона и дейтрона. Уже годы ученые работают над совершенствованием этого и других методов измерения радиуса элементарных частиц.
Если прояснится, что водородная спектроскопия ранее демонстрировали ложные показатели, это будет иметь серьезные последствия. «Это будет означать, что постоянную Ридберга нужно немножко подкорректировать», – объясняет Антогнини.
Среди всех физических неизменных константа Ридберга была определена с высокой точностью, известна восьмая цифра после запятой. Если же подтвердится, что радиус протона меньше, изменится и последняя цифра после запятой. Это повлияет на многие области физики и приведет к незначительным корректурам природных констант.