Два эксперименты дали заметно различные значения радиуса протона. Как это объяснить?

Кажется, что мы знаем, что такое протон.

Ведь это главный компонент материи в видимой Вселенной и топливо для звездных топок. Исследования положительного протона, который с отрицательно заряженным электроном создает атом водорода, сто лет назад инициировали квантовую революцию. Сегодня исследователи сталкиваются пучки ultrawysokoenergetycznych протонов, чтобы в гуще образующихся продуктов искать экзотических существ, таких как бозон Хиггса.

Результаты недавних исследований протонов оказались для нас полной неожиданностью. Оба, вместе с нашими коллегами, мы провели самые точные до сих пор измерения радиуса протона, выполнив две дополнительные эксперименты. Когда мы начинали работу, нам казалось, что новые результаты просто повышает точность предыдущих измерений. Реальность оказалась другая. Полученные в обоих опытах, результаты заметно расходятся. Разница измеренных значений превышает в пять раз неопределенность каждого из измерений. Вероятность, что это обычный случай, это меньше, чем 1 на миллион.

Нет сомнений, что что-то ускользает от нашего внимания. Или мы не знаем, что такое протон, или мы не понимаем физических явлений, которые мы используем, чтобы измерить его радиус. Мы задали природе вопрос, и мы получили непонятную реакцию. Итак, у нас есть шанс, чтобы узнать что-то новое.

Отсутствует смещение

наша история начинается на итальянском острове San Servolo, всего в 10 минутах езды на катере от Площади Сан-Марко в Венеции. До конца 70-х годов. прошлого века находился на ней больница для душевнобольных. Тридцать лет спустя, стала местом встречи физиков толковавших о самых сложных испытаний elektrodynamiki квантовой, превосходную теории в физике, а может даже во всех науках о жизни.

История elektrodynamiki квантовой восходит к 1928 году, когда П. А. М. Дирак объединил квантовую механику со специальной теорией относительности, благодаря т. н. уравнении Дирака. В результате была создана самая успешная теория электричества и магнетизма, которая точно описывает взаимодействие света с веществом. Пример пусть послужит тот факт, что квантовая электродинамика описывает строение атомов, ссылаясь только на законы физики и фундаментальные константы, как масса электрона. Физики тестируют elektrodynamikę квантовой механики, изучая атомы, а особенно атом водорода. Умеют прогнозировать результаты экспериментов с точностью, достигающей 0,000000000001%. Подобную точность можно достичь, выполняя эксперименты.

Мы познакомились именно на San Servolo. Мы приехали туда, потому что мы изучали свойства протона, чтобы еще более уточнить наше знание elektrodynamiki квантовой. Команда Bernauera исследовал внутреннюю структуру протона с помощью усовершенствованной техники, которая уже давала наиболее точные результаты.

Команда Pohla использовал совершенно новым методом. Заключалась в определении небольшие изменения энергии уровней в экзотическом варианте атома водорода, в которой не было электрона. Их значение сильно зависит от размеров протона. В случае обычного водорода сдвиги эти были обнаружены в 1947 году умершего несколько лет назад Уиллиса Э. Лэмба-Младшего. Хотя физики для обозначения этого явления используют одно имя, „сдвиг Лэмба”, понимают, что оно имеет две причины. Первое-это наличие так называемых виртуальных частиц, духов, которые вдруг появляются внутри атома, чтобы так же быстро исчезнуть. Ученые благодаря elektrodynamice квантовой умеют с огромной точностью рассчитать, как виртуальные частицы влияют на энергию уровней в атоме. В последние годы возможности в области правильного прогнозирования смещения Ламба начала ограничивать вторая причина явления, которое является неопределенность относительно размеров протона и странная квантовая природа электрона.

В квантовой механике электрон описывается размытой волновую функцию, которая простирается на области размером атома. Волновая функция, а точнее ее квадрат, выражает вероятность нахождения электрона в определенном положении. Форма волновой функции может принимать одно из персонажей, образующих дискретный набор называется состояниями атома.

В случае некоторых состояний атомных, по историческим причинам, называемых „состояниями s”, волновая функция достигает максимума в области атомного ядра. Это означает, что у нас равно нулю вероятность нахождения электрона внутри протона. Эта вероятность увеличивается радиус протона. Когда электрон находится внутри протона, в меньшей степени ощущает его груз, что ослабляет связь между протоном и электроном.

Результатом является изменение смещения Лэмба для состояния с самой низкой энергией (1сек) на 0,02%. Может показаться, что небольшая доля не является существенной, но разница в энергии между основным состоянием 1сек и первым состоянием wzbudzonym 2s определяется с невероятной точностью до нескольких частей на 1015. Поэтому, когда мы сравниваем расчеты в рамках elektrodynamiki квантовой с результатами экспериментов, необходимо учитывать даже слабый эффект зависит от радиуса протона.

Группа Pohla в течение восьми лет она пыталась определить размеры протона. Однако ко времени первой конференции в San Servolo их эксперимент не работал, что для всех было большой загадкой.

Одновременно Бернауэр с командой брал для измерения радиуса протона альтернативный метод. Его эксперимент не был связан с вопросом о энергетических уровней водорода, но положился на исследовании рассеяния электронов на водородной мишени.