Физики измерили радиус протона

Новая технология позволила с высокой точностью измерить радиус протона методом рассеяния электронов. Эксперимент проведен в лаборатории Томаса Джефферсона Министерства энергетики США. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Протон — стабильная элементарная частица, входящая в состав ядер атомов всех химических элементов. До 2010 года измерения радиуса протона проводились двумя различными экспериментальными методами: рассеяния электронов и атомной спектроскопии. В экспериментах по рассеянию электронов радиус заряда протона определяется по изменению пути электронов после того, как они отразились или рассеялись от протона. В измерениях методом атомной спектроскопии фиксируются переходы между энергетическими уровнями электронов, вращающихся вокруг ядра, представленного водородом или дейтерием. Оба эти метода давали значение радиуса протона около 0,88 фемтометра.

В 2010 году физики опробовали новый вариант метода атомной спектроскопии, заменив электроны на мюоны, которые вращаются намного ближе к протону и более чувствительны к радиусу заряда последнего. Этот результат дал значение, которое было на 4 процента меньше — примерно 0,84 фемтометра.

Тогда стали писать о том, что, возможно, мюоны взаимодействуют с протонами не так как электроны, и это открывает окно в "новую физику", а сам факт несходимости результатов измерений назвали головоломкой протонного радиуса.

В 2012 году группа ученых под руководством Ашота Гаспаряна (Ashot Gasparian) из Сельскохозяйственного и технического университет штата Северная Каролина собралась в лабораторииТомаса Джефферсона Министерства энергетики США, чтобы доработать метод рассеяния электронов и произвести новое и более точное измерение радиуса заряда протона.

Для проведения эксперимента, получившего название PRad, была проведена модернизация ускорительного комплекса CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility — ускоритель непрерывных электронных пучков) национального ускорителя Томаса Джефферсона.

Для повышения точности нового измерения ученые применили три новых технологических приема. Во-первых, был разработан новый тип мишени. Охлажденный газообразный водород направлялся прямо в поток ускоренных электронов с энергией 1,1 и 2,2 ГэВ, что позволило рассеянным электронам двигаться почти беспрепятственно в детекторы.

Следующим важным нововведением было использование для обнаружения рассеянных электронов, возникающих в результате попадания электронов на протоны или электроны водорода, калориметра, а не традиционного магнитного спектрометра. Гибридный калориметр HyCal измерял энергию и положение рассеянных электронов, в то время как газовый электронный детектор GEM, специально построенный для этого эксперимента, также обнаруживал позиции электронов, но с еще более высокой точностью.

Данные обоих детекторов сравнивались в реальном времени, что позволило ученым классифицировать каждое событие как электрон-электронное или электрон-протонное рассеяние, что значительно уменьшило экспериментальные неопределенности и повысило точность.

Последним значительным улучшением стало размещение этих детекторов на очень близком угловом расстоянии — менее одного градуса — от того места, где электронный луч ударил по водородной мишени.

Измеренный по новой методике радиус протона составляет 0,831 фемтометра. Это самое точное значение на сегодняшний день. Оно меньше, чем предыдущее значение, полученное методом рассеяния электронов, равное 0,88 фемтометра, и согласуется с результатами мюонной атомной спектроскопии.

"Мы рады, что годы напряженной работы нашего сотрудничества заканчиваются хорошим результатом, который поможет в решении так называемой головоломки протонного радиуса", — приводятся в пресс-релизе Министерства энергетики США слова Ашота Гаспаряна.

Кроме того, этот результат должен положить конец рассуждениям о новой силе природы, действующей по-разному на электроны и мюоны.