Головна / Наука / Фізики виміряли радіус протона

Фізики виміряли радіус протона

Нова технологія дозволила з високою точністю виміряти радіус протона методом розсіювання електронів. Експеримент проведено в лабораторії Томаса Джефферсона Міністерства енергетики США. Результати опубліковані в журналі Nature.

Протон — стабільна елементарна частинка, що входить до складу ядер атомів усіх хімічних елементів. До 2010 року вимірювання радіуса протона проводилися двома різними експериментальними методами: розсіювання електронів та атомної спектроскопії. В експериментах по розсіюванню електронів радіус заряду протона визначається по зміні шляху електронів після того, як вони позначилися або розсіялися від протона. У вимірах методом атомної спектроскопії фіксуються переходи між енергетичними рівнями електронів, що обертаються навколо ядра, представленого воднем або дейтерієм. Обидва ці методу давали радіус протона близько 0,88 фемтометра.

У 2010 році фізики випробували новий варіант методу атомної спектроскопії, замінивши електрони на мюони, які обертаються набагато ближче до протона і більш чутливі до радіуса заряду останнього. Цей результат дав значення, яке було на 4 відсотки менше — приблизно 0,84 фемтометра.

Тоді почали писати про те, що, можливо, мюони взаємодіють з протонами не так як електрони, і це відкриває вікно в «нову фізику», а сам факт розбіжності результатів вимірювань назвали головоломкою протонного радіуса.

У 2012 році група вчених під керівництвом Ашота Гаспаряна (Ashot Gasparian) із Сільськогосподарського та технічного університету штату Північна Кароліна зібралася в лабораторії Томаса Джефферсона Міністерства енергетики США, щоб доопрацювати метод розсіювання електронів і зробити нове і більш точне вимірювання радіуса заряду протона.

Для проведення експерименту, що отримав назву PRad, була проведена модернізація прискорювального комплексу CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility — прискорювач безперервних електронних пучків) національного прискорювача Томаса Джефферсона.

Для підвищення точності нового виміру вчені застосували три нових технологічних прийомів. По-перше, був розроблений новий тип мішені. Охолоджений газоподібний водень прямував прямо в потік прискорених електронів з енергією 1,1 і 2,2 Гев, що дозволило розсіяним електронам рухатися майже безперешкодно в детектори.

Наступним важливим нововведенням було використання для виявлення розсіяних електронів, що виникають в результаті попадання електронів на протони або електрони водню, калориметра, а не традиційного магнітного спектрометра. Гібридний калориметр HyCal вимірював енергію і положення розсіяних електронів, у той час як газовий електронний детектор GEM, спеціально побудований для цього експерименту, також виявляв позиції електронів, але з ще більш високою точністю.

Дані обох детекторів порівнювалися в реальному часі, що дозволило вченим класифікувати кожну подію як електрон-електронне або електрон-протонное розсіяння, що значно зменшило експериментальні невизначеності і підвищило точність.

Останнім значним поліпшенням стало розміщення цих детекторів на дуже близькій кутовій відстані — менше одного градуса — від того місця, де електронний промінь вдарив по водневій мішені.

Виміряний за новою методикою радіус протона складає 0,831 фемтометра. Це найбільш точне значення на сьогодні. Воно менше, ніж попереднє значення, отримане методом розсіяння електронів, що дорівнює 0,88 фемтометра, і узгоджується з результатами мюонної атомної спектроскопії.

«Ми раді, що роки напруженої роботи нашої співпраці закінчуються хорошим результатом, який допоможе у розв’язанні так званої головоломки протонного радіуса», — наводяться в прес-релізі Міністерства енергетики США слова Ашота Гаспаряна.

Крім того, цей результат повинен покласти кінець міркуванням про нову силу природи, що діє по-різному на електрони і мюони.