Протонът наистина е по-малък

Една от най-разпространените частици във Вселената – протонът – смущава спокойствието в света на физиката. Още през 2010 година в сп. Nature са публикувани резултатите от изследване, което сочи, че диаметърът на тази фундаментална съставка на атомното ядро е с 4% по-малък, отколкото се смяташе по-рано.

Научният свят изпадна в недоумение и хвърли повече от две години, за да обясни това несъответствие. Новата работа на изследователите потвърждава, че реалният размер на протона е по-малък, отколкото показват изчисленията, основани на законите на физиката.

Протонът няма ясни граници, затова размерите му може да се определят само по взаимодействието с въртящите се около него частици (например електрони). В качеството на основен обект за изчисление на диаметъра на тази положително заредена частица традиционно влизаше водородният атом.

Най-простият химичен елемент се състои от един протон и един електрон. Електронът се върти около протона на строго определено разстояние в зависимост от енергийното ниво. Електронът може да се премества от едно ниво на друго, поглъщайки или отделяйки енергия във вид на фотони. Измервайки енергията на фотоните, излизащи от възбудения водороден атом, физиците могат да определят допустимото положение на орбиталите и въз основа на законите на квантовата физика да се изчисли разстоянието от тях до протона.

За първи път такива измервания са проведени през 60-те години на ХХ век. Оттогава се смяташе, че радиусът на протона е равен на 0,8768 фемтометра (един фемтометър е равен на 10 на минус 15-а степен метра).

Проблемите започнали, след като група физици под ръководството на Рандолф Пол от Института по квантова оптика „Макс Планк” заговорили за резултатите от своите измервания. С помощта на ускорител на елементарни частици учените бомбардирали водородните атоми с мюони. В резултат тези нестабилни елементарни частици, които да двеста пъти по-тежки от електроните и също имат отрицателен заряд, изместили електроните, заемайки техните места. Поради голямата си маса мюонът се върти доста близо до протона и е по-чувствителен към неговия диаметър. Затова измерванията, основани на такова взаимодействие, са доста по-точни.

През 2010 г. Пол и колегите му за първи път публикували уточнения размер на протона, равен на 0,8418 фемтометра. В обикновения живот разликата от 0,00000000000003 милиметра е неосезаема, но не и във въпросите на квантовата физика.

Две години по-късно същият екип изследователи провели повторни изследвания, които били още по-точни от тези през 2010 г. Но диаметърът на протона се оказал 0,8408 фемтометра, което напълно съответства на предишния резултат.

Физиците така и не са намерили точен отговор на въпроса откъде се е взела разликата от 4%. През октомври 2012 г. е проведен семинар в Италия с участието на 50 експерти по протоните от цял свят. В резултат специалистите се съгласили, че между електроните и мюоните съществуват някои разлики, които се намират извън стандартните физични модели. Именно те влияят на получения резултат.

Учените се надяват, че тайната ще бъде разгадана през следващите две-три години.