Ученые думали, что знают размер протона, но это изменилось в 2010 году, когда группа физиков измерила значение радиуса протона на четыре процента меньше ожидаемого, что запутало научное сообщество. С тех пор мировые физики пытаются решить загадку протонного радиуса – несоответствие между этими двумя значениями протонного радиуса.
Эта загадка – важная нерешенная проблема фундаментальной физики сегодня.
Теперь исследование, которое будет опубликовано в журнале Science, обнаруживает новое измерение размера протона при 0.833 фемтометра, что составляет чуть менее одной триллионной миллиметра.
Это значение примерно на пять процентов меньше, чем ранее принятое значение радиуса до 2010 года.
Исследование, проведенное учеными факультета естественных наук Йоркского университета, представляет новое электронное измерение того, насколько далеко распространяется положительный заряд протона, и подтверждает вывод 2010 года о том, что протон меньше, чем считалось ранее.
«Уровень точности, необходимый для определения размера протона, сделал это измерение самым сложным из всех, которые когда-либо предпринимались в нашей лаборатории», – сказал выдающийся исследователь, профессор Эрик Хесселс, факультет физики и астрономии, который руководил исследованием.
«После восьми лет работы над этим экспериментом мы рады записать такое высокоточное измерение, которое помогает решить неуловимую загадку протонного радиуса», – сказал Хесселс.
Поиски решения загадки протонного радиуса имеют далеко идущие последствия для понимания законов физики, таких как теория квантовой электродинамики, которая описывает взаимодействие света и материи.
Хессельс, всемирно признанный физик и эксперт в области атомной физики, говорит, что три предыдущих исследования сыграли решающую роль в попытке устранить несоответствие между определениями размеров протонов на основе электронов и мюонов.
Исследование 2010 года было первым, в котором мюонный водород использовался для определения размера протона, по сравнению с предыдущими экспериментами, в которых использовался обычный водород.
В то время ученые изучали экзотический атом, в котором электрон заменен мюоном, более тяжелым родственником электрона. В то время как исследование 2017 года с использованием водорода соответствовало определению радиуса заряда протона на основе мюонов 2010 года, эксперимент 2018 года, также с использованием водорода, подтвердил значение до 2010 года.
Хессельс и его команда ученых потратили восемь лет, сосредоточившись на решении загадки радиуса протона и понимании того, почему радиус протона принимает другое значение при измерении с помощью мюонов, а не электронов.
Команда Йоркского университета изучала атомарный водород, чтобы понять значение отклонения, полученное от мюонного водорода. Они провели высокоточные измерения с использованием метода колебательных полей с разделением по частотам (FOSOF), который они разработали для этого измерения.
Этот метод является модификацией техники разделенных осциллирующих полей, которая существует уже почти 70 лет и завоевала признание Нормана Ф. Рэмси лауреат Нобелевской премии. В их измерениях использовался быстрый пучок атомов водорода, созданный при прохождении протонов через мишень из молекулярного водорода.
Этот метод позволил им сделать электронное измерение радиуса протона, которое прямо аналогично измерению на основе мюонов из исследования 2010 года. Их результат согласуется с меньшим значением, найденным в исследовании 2010 г.