Радиус протона оказался меньше, чем считалось

Вся видимая материя во Вселенной построена на облаке из трех кварков, связанных вместе с энергией сильного взаимодействия, — протоне. Этот вид элементарных частиц, находящийся в ядре каждого атома, был предметом многочисленных исследований и экспериментов, направленных на раскрытие его секретов. Тем не менее при измерении радиуса протона физики долгое время не могли прийти к консенсусу, так как увеличение точности методов порождало уменьшение конечной величины.

До 2010 года наиболее точные измерения радиуса протона производились двумя различными экспериментальными методами. В экспериментах по рассеянию электронов последние выстреливаются в протоны. Радиус заряда протона определяется изменением траектории электронов после их столкновения или рассеяния. 

В атомно-спектроскопических измерениях ученые наблюдают переходы между энергетическими уровнями электронов. Каждый такой переход сопровождается излучением фотонов определенной длины волны. Обычно специалисты проводили измерения этим методом на ядрах двух изотопов водорода — протия (содержит один протон) и дейтерия (содержит протон и нейтрон). Эти два различных метода дали радиус элементарной частицы около 0,88 фемтометра.

В 2010 году физики провели измерение радиуса новым методом. Они вычислили энергию перехода между уровнями электронов в атоме водорода, на орбите которого находился мюон. Эта элементарная частица вращается гораздо ближе к ядру и более чувствительна к радиусу заряда протона. Результат дал значение, которое было на 4% меньше, чем раньше, — примерно 0,84 фемтометра.

Наконец, в новой работе исследователи предложили усовершенствованный метод измерения размера протона. Ученые внесли важные изменения в конструкцию прибора, который измерял рассеяние электронов. Физики модернизировали его так, что воздействие на систему со стороны самого прибора и внешних факторов снизилось до минимума, а его чувствительность серьезно возросла. Измерение радиуса заряда протона на новом устройстве составило примерно 0,831 фемтометра.

В планах ученых — подтверждение данных и сравнение результатов со значениями, полученными с помощью других методов. В будущем исследователи планируют вычислить размер дейтрона — ядра дейтерия — и нескольких других ядер, содержащих протон.