Загадка похудевшего протона | Научные открытия и технические новинки из Германии | DW | 06.02.2013
  1. Inhalt
  2. Navigation
  3. Weitere Inhalte
  4. Metanavigation
  5. Suche
  6. Choose from 30 Languages

Наука

Загадка похудевшего протона

До сих пор диаметр протона был измерен двумя методами, и оба дали идентичные результаты. Теперь ученые использовали третий метод - и очень удивились...

ARCHIV: Vorbereitung des ATLAS-Detektors (A Toroidal Lhc ApparatuS), der am Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) hochenergetische Proton-Proton-Kollisionen zum Nachweis des Higgs-Teilchen untersuchen soll, aufgenommen in der Naehe von Genf in der Kern-Forschungseinrichtung CERN (Foto undatiert). Nach jahrzehntelanger Forschungsarbeit wollen Wissenschaftler am Mittwoch (09.07.12) offenbar den Nachweis fuer die Existenz des sogenannten Gottesteilchens praesentieren. Fuer ein Knallenlassen der Sektkorken sei es jedoch noch verfrueht, schraenkten Forscher am Montag (02.07.12) ein. Gelaenge es, die Existenz des schwer zu fassenden Teilchens zu belegen, waere dies eine wissenschaftliche Sensation. (zu dapd-Text) Foto: CERN/dapd

Ускоритель частиц

Хотя общепринятая в физике элементарных частиц так называемая Стандартная модель является весьма стройной теоретической конструкцией, а предсказанные ею явления и эффекты с высокой точностью подтверждаются экспериментально, она все же не может считаться последним и окончательным словом в этой области знаний. И не только потому, что, описывая электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия, Стандартная модель не объясняет гравитацию, но еще и потому, что в последние годы исследователи в ходе сложных экспериментов все чаще получают результаты, не поддающиеся интерпретации в ее рамках.

Здесь можно упомянуть, скажем, о нейтринных осцилляциях, об асимметрии материи и антиматерии, о темном веществе и темной энергии и ряде других наблюдений, объяснить которые Стандартная модель не в состоянии. Неудивительно, что разработка так называемой "новой физики", то есть физики за пределами Стандартной модели, ведется сегодня чрезвычайно активно.

Старый знакомый протон

Прежде всего, это касается, конечно же, поиска и изучения разного рода экзотических частиц вроде бозона Хиггса, но не только. Теперь весьма неожиданные результаты получены и в отношении такой, казалось бы, хорошо изученной частицы как протон. Протон - частица, входящая в состав атомного ядра. Таких частиц, образующих атомное ядро и называющихся нуклонами, всего две: протон и нейтрон. Они по всем параметрам очень похожи друг на друга, с той лишь разницей, что протон - положительно заряженная частица, а нейтрон электрического заряда не несет.

Полвека назад считалось, что протон и нейтрон - неделимые, действительно элементарные частицы, однако сегодня известно, это не так. Они состоят из так называемых кварков - частиц, обладающих электрическим зарядом, кратным 1/3 заряда электрона, и не встречающихся в свободном состоянии. Существует 6 сортов (или, как их именуют физики, ароматов) кварков: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Протон состоит из одного нижнего и двух верхних кварков, нейтрон - из одного верхнего и двух нижних.

Два метода - один результат

Понятно, что при наличии такой структуры представлять себе нуклон в виде миниатюрного шарика не вполне верно, и это, конечно, затрудняет определение линейных размеров частицы. Тем не менее, такие измерения были выполнены, и даже не одним, а двумя разными методами. Альдо Антоньини (Aldo Antognini), научный сотрудник Швейцарской высшей технической школы Цюриха, поясняет: "Первый метод, примененный для определения размеров протона, состоял в бомбардировке водорода быстрыми электронами. Ядра атомов водорода - то есть протоны - рассеивали пучок электронов, и углы отклонения электронов от первоначальной траектории позволили определить приблизительный размер протона. За эти исследования в 1961 году была присуждена Нобелевская премия".

Позже был предложен второй метод, заключавшийся в облучении водородных атомов лазером. Анализируя то, как единственный электрон водорода реагирует на лазерные импульсы, исследователи смогли вычислить величину ядра. Оба метода дали идентичные результаты, и ученые решили, что диаметр протона (если все же принять его за шар) составляет примерно 0,88 фемтометра (фемтометр - это десять в минус пятнадцатой степени метра, то есть одна миллионная доля одной миллионной доли миллиметра).

Атом водорода с мюоном вместо электрона

Все было отлично до тех пор, пока Альдо Антоньини и его коллеги не предложили третий метод измерения размера протона. "В нашем эксперименте мы использовали мюонный водород. Это весьма экзотическая разновидность водорода, в атоме которого электрон заменен мюоном, - поясняет ученый. - У мюона такой же заряд, что и у электрона, но масса в 207 раз больше, поэтому мюонная оболочка такого атома водорода оказывается гораздо ближе к ядру, нежели электронная оболочка обычного водородного атома. Именно это и позволило нам с высокой точностью определить размер протона".

Контекст

Стоит ли говорить о том, каких невероятных трудов это стоило! Мюоны просто так в природе практически "не водятся", так что исследователи получали их с помощью ускорителя, а затем бомбардировали ими протоны. Время от времени случалось, что протон захватывал пролетающий мимо мюон, образуя атом мюонного водорода. Но мюон - частица нестабильная, продолжительность ее жизни составляет чуть больше 2 микросекунд, затем она распадается. Таким образом, на измерения у физиков было всего лишь 2 микросекунды.

Ошибка эксперимента или новая физика?

Однако эксперимент все же удался. Но вот его результаты, опубликованные в журнале Science, изрядно озадачили ученых. "Мы были очень удивлены, поскольку получили значение, почти на 5 процентов меньшее прежнего: 0,84 вместо 0,88 фемтометра, - говорит Альдо Антоньини. - Это весьма существенное отклонение. Для его объяснения есть только две возможности: либо в наши эксперименты вкралась какая-то грубая ошибка, либо тут проявилась новая физика".

Чтобы прояснить ситуацию, потребуется обширная серия новых экспериментов. Возможно, при этом исследователи выявят неточности того или иного метода измерения и подтвердят либо прежнее, либо новое значение диаметра протона. Но не исключено также, что будет подтверждена зависимость размера протона от метода измерения: если использовать для этих целей электроны - он чуть больше, если мюоны - чуть меньше. Такое различие в поведении протона по отношению к электронам и мюонам противоречило бы Стандартной модели и потребовало бы от теоретиков немало находчивости для объяснения феномена.