Pokušali su da objasne varijabilnost radijusa protona kvantnom interferencijom. Električno polje protona u bliskoj zoni

24.02.2024 | Priča

Femtometar je milioniti deo jednog milijarditog dela metra, 10. -15 metara. Nepodudarnost od četiri stotinke ove dužine prijeti da gotovo preokrene naše ideje o mikrokosmosu.

Danas situacija izgleda ovako. Od sredine prošlog veka fizičari su pokušavali da izmere radijus protona, a sve do 2010. godine radili su odličan posao. Eksperimenti su izvedeni drugačije, ali princip je ostao isti – mjerenje kvantiziranih energetskih nivoa na kojima se elektron može locirati u atomu vodika, ili, grubo rečeno, visine njegovih mogućih orbita. Veličina ovih nivoa delimično zavisi od radijusa protona koji čini jezgro atoma vodonika. Ovaj dio je strogo određen zakonima kvantne mehanike, a poznavajući nivoe moguće je relativno jednostavnim proračunima odrediti polumjer protona. Prethodni eksperimenti dali su istu vrijednost radijusa za proton - 0,877 femtometara - s preciznošću od 1-2%, ovisno o eksperimentu. Najnovije i najpreciznije mjerenje ispravilo je ovu cifru na četvrtu decimalu - 0,8768 femtometara.

Ali prije dvije godine, grupa fizičara koju je predvodio Randolph Paul iz Instituta za kvantnu optiku. Max Planck u Njemačkoj odlučio je izmjeriti ovaj polumjer na radikalniji način, zamjenom elektrona u atomima vodonika njihovim bliskim srodnicima, mionima.

Mioni su dvjesto puta masivniji od elektrona, što ih čini mnogo osjetljivijim na veličinu protona. Koristeći akcelerator, oblak atoma vodika bombardiran je snopom miona, koji je kao rezultat zauzeo mjesto elektrona u nekim od ovih atoma.

Rezultat je bio zapanjujući: umjesto uobičajene veličine od 0,877 femtometra, veličina je bila 0,84.

Proton se neobjašnjivo smanjio.

Prema postojećim idejama, proton, čestica koja se sastoji od tri kvarka, ne može promijeniti svoj polumjer u zavisnosti od toga koje mase lete iznad njega. Nakon najsavjesnije provjere, ideja o instrumentalnoj grešci u eksperimentu je odbačena, a nema se ništa reći o greškama u prošlim eksperimentima s običnim atomom vodika, dajući radijus protona od 0,877 femtometara: ovi eksperimenti broje se u stotine.

U eksperimentu opisanom u Scienceu, tim predvođen Aldom Antogninijem sa Švicarskog federalnog instituta za tehnologiju u Cirihu ponovo je izmjerio radijus protona koristeći mionske atome vodonika - ovoga puta s drugačijim skupom energetskih nivoa.

Rezultat je bio isti kao i prije dvije godine - 0,84 femtometra.

Prema riječima jednog od autora članka, Inga Sike sa Univerziteta u Bazelu (Švicarska), ovaj rezultat, umjesto da razjasni situaciju, učinio ju je još misterioznijom. „Mnogi su pokušavali da objasne ovu nesklad, ali do sada nikome nije pošlo za rukom“, kaže on.

Najradikalnije objašnjenje za ovu neslaganje je prisustvo nove, nepoznate fizike, koja tvrdi da mioni stupaju u interakciju s protonima nešto drugačije od elektrona. Međutim, Sick i njegov kolega na najnovijem eksperimentu, John Arrington iz Argonne National Laboratory, sumnjaju u ovo objašnjenje. Oni vjeruju u sadašnje razumijevanje fizike da je fundamentalnu razliku između miona i elektrona “teško zamisliti”.

Postoji i ideja o postojanju neke nepoznate čestice koja ometa interakciju miona sa protonom. Ovo bi, na primjer, mogla biti jedna od čestica koje čine tamnu materiju. Ali budući da nije jasno kako to može promijeniti ovu interakciju, i budući da još uvijek nije uopće pronađena, ova hipoteza ostaje čisto spekulativna i nepotkrijepljena.

Fizičari polažu neke nade u nove eksperimente, sada ne s mionskim vodonikom, već s mionskim helijumom. Ali ovi eksperimenti se tek pripremaju i bit će završeni za nekoliko godina.

Početkom juna navršilo se tačno sedam godina otkako je prvi put formulisana takozvana "misterija radijusa protona" - kontradikcija između starih i novih eksperimenata za određivanje veličine protona. Tokom godina, problem ne samo da nije riješen, već se i pogoršavao, dovodeći teoretičare u ćorsokak.

U junu 2010. godine, u gradu Les Houches, u Francuskoj, održana je konferencija posvećena ultra-preciznoj fizici jednostavnih atomskih sistema, na kojoj su prikazani rezultati eksperimenata za pojašnjavanje radijusa naelektrisanja protona - fundamentalne konstante koja karakteriše koliko protonski naboj je „razmazan“ u prostoru. Glavna razlika novog eksperimenta bila je u tome što je prvi put proveden ne na vodiku, kao i obično, već na egzotičnim mionskim atomima. Mionski atom je atom u kojem je jedan ili više elektrona zamijenjeno mionima - superteškim "braćom" elektrona, obično proizvedenim u akceleratorima.

Ispostavilo se da se novi radijus razlikuje od prethodno izmjerenog za četiri posto. Ova kontradikcija nazvana je "misterija radijusa protona" i izazvala je neviđenu pomutnju među naučnicima koji se bave atomskom fizikom. Već sedam godina problem ne samo da nije riješen, već je i dodatno otežan nedavnim eksperimentima, a mnogi su počeli pričati o kretanju ka Novoj fizici. Sa stanovišta prosječne osobe, 4 posto nije tako velika razlika, stoga, da bismo razumjeli razlog nasilne reakcije naučnika, potrebno je okrenuti se historiji problema.

Hladni rat

Nije tajna da se fizika može posmatrati iz perspektive “hladnog rata” između teorije i eksperimenta. Svako polje ima svoje teorije koje predviđaju rezultate određenih eksperimenata sa određenom navedenom tačnošću. Eksperimentatori, zauzvrat, pokušavaju da dostignu i nadmaše ove tačnosti kako bi teoretičarima pružili nove horizonte proračuna. Sve to služi u korist razvoja naših ideja o svijetu do najsuptilnijih stvari.

Možda je najdramatičniji front Hladnog rata u fizici bila spektroskopija atoma vodika. Sve je počelo krajem 19. veka, kada je u spektrima Sunca otkrivena spektralna serija, kasnije nazvana Balmerova serija. U to vrijeme u fizici je vladala klasična paradigma: cijeli svijet je bio opisan Maxwellovim jednadžbama pomiješanim s mehaničkim jednadžbama, a svjetlost se shvaćala isključivo u terminima valova. U globalnoj naučnoj zajednici postojalo je napredno uvjerenje da su svi osnovni zakoni fizike već poznati. Ovu činjenicu najagdotski ilustruje fraza profesora Philippa von Jollyja, njemačkog fizičara koji je postao standard kratkovidosti - odvratio je Maxa Plancka, jednog od osnivača kvantne mehanike, od proučavanja fizike: „U ovoj oblasti gotovo sve je već otkriveno, a preostaje samo popuniti neke ne tako važne praznine.”

Dakle, šta nije u redu sa serijom Balmer? Činjenica je da se u klasičnoj elektrodinamici zračenje proizvodi kad god električni naboji dožive ubrzanje ili usporavanje (kao i kretanje u krugu). Istovremeno, u elektrodinamici postoji posebna teorema prema kojoj između električnih naboja može postojati samo dinamička ravnoteža. Drugim riječima, sistem koji se sastoji od takvih naboja može biti stabilan (tj. ne može se raspasti ili kolapsirati) samo kada ti naboji kruže jedno oko drugog duž neke od svojih putanja. Ali u ovom slučaju, naboji bi morali stalno ubrzavati i usporavati, što bi, prema zakonima klasične fizike, neminovno dovelo do zračenja. Zračenjem, naboji bi gubili energiju i, kao rezultat, brzinu (postoji čak i poseban izraz „radijacijsko trenje“). U konačnici, to bi dovelo do činjenice da bi bilo koji klasični atom, bez obzira na njegovu pravu distribuciju naboja, bio osuđen na iscrpljivanje zračenja, a materija u Univerzumu ne bi mogla postojati.

Ali ako pretpostavimo da je, zbog nekih nepoznatih razloga, klasični atom stabilan, tada bi, prema proračunima, spektar njegovog zračenja trebao biti ekvidistantan skup frekvencija: nalikovao bi na "češalj" koji se sastoji od osnovne frekvencije zračenje i prizvuci sa frekvencijama višestrukim od osnovne frekvencije. Profesionalni muzičari i radio-amateri su veoma upoznati sa ovom vrstom spektra, jer su nijanse zvuka često skrivene u načinu ponašanja prizvuka. U isto vrijeme, Balmerova serija (kao i druge serije otkrivene kasnije) se ni na koji način nije uklapala u ovu sliku: njihove frekvencije, umjesto jednoličnog "češlja", bile su pokorne zakonu inverznih kvadrata prirodnih brojeva.

Prvo zadovoljavajuće objašnjenje takvih spektralnih obrazaca predložio je Niels Bohr. Dugo se mučio s pitanjem kako objasniti eksperimente svog kolege Ernesta Rutherforda, koji je pokazao da se atom zapravo sastoji od malog pozitivnog jezgra oko kojeg kruže elektroni. Ovako formulisan atomski model nazvan je planetarnim zbog svoje sličnosti sa strukturom Sunčevog sistema.

Kako bi pomirio Rutherfordove eksperimente sa činjenicom stabilnosti atoma, Bohr nije našao ništa bolje nego da jednostavno pretpostavi da se, iz još uvijek nepoznatih razloga, elektroni u određenim orbitama osjećaju sjajno i ne žele pasti na jezgro. Ali kakve bi točno ove orbite trebale biti, Bohr je shvatio tek nakon što mu je pokazana formula koja opisuje Balmerovu seriju. Pokazalo se da elektroni u atomu vodika postoje bez zračenja samo kada je njihov orbitalni moment jednak prirodnom broju u jedinicama Planckove konstante. Tako je rođen čuveni Borov model atoma.

Unatoč ogromnom uspjehu koji je ovaj model imao u opisivanju tadašnjih eksperimenata na vodiku i atomima sličnim vodoniku, sa stanovišta fundamentalne fizike ne može se nazvati zadovoljavajućim. Budući da je, zapravo, gotovo potpuno klasičan model (ne računajući tačku povezanu s diskretnim orbitalnim momentom), nije mogao odgovoriti na glavno pitanje – zašto su atomi ipak stabilni? Štaviše, Borov model nije mogao da opiše ni spektre atoma sa više elektrona, ni intenzitet linija atoma sa jednim elektronom. Međutim, uspjeh ovog modela donio je svjetskoj naučnoj zajednici shvaćanje da je ponašanje elementarnih čestica zasnovano na određenim zakonima osim onih koji opisuju kretanje masivnih tijela. Teorija koja je mogla dati zadovoljavajuće odgovore na postavljena pitanja bila je kvantna mehanika.

Bruce Lee efekat

Kvantna mehanika je nastala kao spoj ideja koje su izrazili različiti fizičari, a trenutno je formulisana u obliku nekoliko postulata. Ukratko, zasniva se na odbijanju da se koordinatama i impulsima da status najosnovnijih karakteristika materijalnih tijela. Umjesto toga, pretpostavlja se da je glavna karakteristika svakog fizičkog objekta njegovo stanje. Svako stanje je povezano sa posebnim matematičkim objektom - takozvanim vektorom Hilbertovog prostora. „Oblačenje“ fizičkog stanja u takav matematički oblik automatski povlači za sobom sva algebarska svojstva koja vektori imaju. Konkretno, vektori se mogu sabirati i množiti brojevima, a to nam omogućava da opišemo fenomene kao što su kvantna superpozicija i kvantna zapetljanost, čije je postojanje nemoguće u klasičnoj slici svijeta. Osim toga, postulirana je vjerovatnoća priroda kvantnog stanja sa mjerne tačke gledišta, a također se postulira kako se ovo stanje ponaša tokom vremena (Schrodingerova jednačina).

Ovako formulisana, mehanika mikroskopskih tela je bila u stanju da u potpunosti objasni sve eksperimente u oblasti atomske fizike koji su postojali u to vreme od prvih principa. Jedini značajan dodatak kvantnoj mehanici bilo je uključivanje relativističkih efekata (a Schrödingerovu jednačinu, zauzvrat, zamijenila je Diracova jednačina). Potreba za ovim se javila nakon što je postalo jasno da linijski spektri imaju složeniju strukturu od pukog skupa valnih dužina određenih kvadratima prirodnih brojeva (ovaj fenomen se naziva „fina struktura“). A to je opet postalo moguće zahvaljujući napretku u tehnologiji spektroskopskih eksperimenata.

Međutim, najzanimljivije stvari su počele nakon što je na konferenciji na Shelter Islandu u New Yorku 1947. objavljeno otkriće malenog anomalnog jaza u energijama dvaju obližnjih stanja atoma vodika, kasnije nazvanog Lambov pomak. Ovo otkriće je jako uzbudilo teoretičare, jer je kvantna mehanika, koja je u to vrijeme već stekla pouzdanu reputaciju, predvidjela da ovaj jaz ne bi trebao postojati. Rješavanje ove zagonetke zahtijevalo je reviziju naših ideja o vakuumu i dovelo do stvaranja kvantne elektrodinamike (QED). Ovo je bilo od velike važnosti za svu teorijsku fiziku, budući da je QED postao polazna tačka za izgradnju kvantnog modela polja mikrosvijeta, čija je kruna Standardni model.

U okviru QED-a, vakuum prestaje da bude samo prazan prostor. Sada je vakuum neka vrsta okruženja u kojem se čestice stalno rađaju neko vrijeme, a zatim uništavaju. Ovi procesi nemaju početak ni kraj, oni se nikada ne gase, a same „privremene“ čestice nazivaju se virtuelnim. Sve stvarne čestice takođe stupaju u interakciju sa vakuumom. Konkretno, elektron je stalno uključen u proces u kojem emituje i odmah apsorbuje foton. Ovaj virtuelni foton nema vremena da odleti daleko od elektrona, tako da uvek postoji neko fotonsko polje oko svakog elektrona. Fizičari su čak uveli i poluslužbeni izraz - "fotonski kaput". Kao što pokazuju proračuni, ovaj “kaput” uvodi neki dodatak masi elektrona. A ako je elektron vezan u atomu, “kaput” također modificira svoju energiju interakcije s atomom. Lamb je otkrio ovaj energetski pomak.

Lamb pomak se može razumjeti korištenjem sljedeće analogije. Zamislite da ste u velikoj sali i da ste uključeni u neku akciju. Na primjer, udarite vreću za udaranje. Imate određenu dinamiku, vaše akcije prate određeni redosled - u određenom ste stanju sa određenom energijom. Sada zamislite da vam je trener rekao da istovremeno bacate i hvatate loptu. Ovaj zadatak će od vas zahtijevati određenu spretnost i koncentraciju - vaše stanje i energija će se vjerovatno promijeniti.

Sada zamislite da ste najspretnija osoba na svijetu (na primjer, Bruce Lee). Toliko ste dobri u onome što radite da je nemoguće primijetiti golim okom da se vaša energija promijenila. I samo uz pomoć pametnih tehničkih trikova (na primjer, kamere velike brzine) možete vidjeti da bacanje lopte i dalje utiče na vas. U atomu vodika sve je približno isto: proton je kruška, foton je lopta, elektron je Bruce Lee, a tehnički uređaj je mikrovalni emiter i detektor korišteni u eksperimentu za detekciju Lambovog pomaka.

Od objašnjenja Lambovog pomaka, konkurencija između teorije i eksperimenta dostiže novi nivo. Činjenica je da je QED dizajniran na takav način da ga ne možemo koristiti za dobijanje tačnog rješenja problema nalaženja energija atomskih nivoa (za razliku od, na primjer, Diracove jednačine), ali ovom rješenju možemo pristupiti bilo kojim tačnost. To se događa zato što bi tačna vrijednost energije odgovarala uzimanju u obzir beskonačne raznolikosti procesa koji uključuju virtualne čestice. Drugim riječima, formula za energiju je niz koji se mora sabrati, pri čemu svaki član odgovara vlastitom procesu.

Feynmanov dijagram koji identificira glavni doprinos Lambovom pomaku. Puna linija predstavlja elektron, talasasta linija predstavlja virtuelni foton, krst predstavlja jezgro, a tačkasta linija predstavlja interakciju sa jezgrom.

Na primjer, emisija i apsorpcija jednog virtuelnog fotona samo je jedan od ovih procesa, iako najznačajniji. Može se desiti da elektron emituje virtuelni foton i, ne čekajući na apsorpciju, emituje još jedan. Ili može biti da će se emitovani foton privremeno raspasti u par elektron-pozitron. Svaki od ovih procesa sa određenom težinom utječe na rješenje problema. Kako se ne bi zbunili u složenoj strukturi QED procesa i nekako ih sistematizirali, Richard Feynman je izumio tehniku dijagrama koja vam omogućava da virtualne čestice predstavite u obliku linija različitih tipova, a njihovo rođenje i uništenje - u obliku tačke (čvorovi) u kojima se ove linije konvergiraju.

Feynmanovi dijagrami koji opisuju elektro-elektronsku interakciju kroz razmjenu virtualnog fotona. U drugom dijagramu, jedan od elektrona emituje drugi foton prije interakcije. U trećem dijagramu virtuelni foton usput rađa virtuelni par elektron-pozitron (pozitroni su označeni na isti način kao i elektroni, ali njihove strelice pokazuju u drugom smjeru). Prvi dijagram daje najveći doprinos ovom procesu u odnosu na druga dva. To možete provjeriti prebrojavanjem broja čvorova na njima (2 na prvom naspram 4 na ostalima).

Pokazalo se da se dijagrami koji odgovaraju svim vrstama procesa mogu sortirati prema broju čvorova. Što je veći broj čvorova, više virtualnih čestica se stvara i uništava i, kao posljedica toga, više je mogućih kombinacija procesa (njihov broj raste otprilike kao faktorijel). Osim toga, svaka nova čestica unosi dodatne integrale u proračun. Sve to dovodi do činjenice da svaki korak tačnosti povećava trud utrošen na proračune za redove veličine.

Strast za preciznošću

Dok su teoretičari izračunavali nove dijagrame, inženjeri i eksperimentatori nisu sedeli prekriženih ruku i poboljšali spektroskopske tehnike. Značajna prekretnica na ovom polju bila je pojava tehnologije optičkog frekventnog češlja, što je dovelo do prave revolucije u mjerenju frekvencije svjetlosti. Tako je do početka 21. veka tačnost spektroskopskih merenja dostigla 14. decimalno mesto. A nedavno je postalo poznato o stvaranju lasera s rekordno uskom spektralnom širinom linije, oko 10 -17 njegove frekvencije nosača.

I ako se nadmetanje između teorije i eksperimenta može nazvati "ratom", onda su fizičke konstante postale "bojna polja" za ovaj rat. I radi na sljedeći način. Eksperiment mjeri neku fizičku veličinu, kao što je frekvencija svjetlosti, s određenom preciznošću. Zadatak teorije je da predloži formulu koja bi dala isti, zapravo već poznat, odgovor. U ovom slučaju, formula se može konstruirati u obliku matematičkih kombinacija nekoliko osnovnih konstanti. Tako dobijamo jednačinu u kojoj te iste konstante djeluju kao nepoznanice. Očigledno, ako postoji više od jedne konstante, tada je potrebno nekoliko eksperimenata i, shodno tome, nekoliko formula s istim konstantama. Jednačina ne bi trebalo da bude manje od broja nepoznatih, ali što je više moguće. U ovom slučaju, eksperimentalne greške se pretvaraju u greške u određivanju konstanti prema jasnim matematičkim principima.

Tačnost eksperimenta igra centralnu ulogu u ovom slučaju. Ako je greška mjerenja prevelika, dovoljno je da teoretičari predlože jednostavne formule za pronalaženje rješenja za sistem jednačina: pretjerana teorijska tačnost će se jednostavno utopiti u velikoj eksperimentalnoj grešci. Ali kada se greška mjerenja smanji ispod određenog praga, sistem takvih jednačina prestaje da ima rješenje. To znači da teoretičari moraju nekako upotpuniti svoje formule kako bi se rješenje ponovo vratilo. Za QED su takve nadgradnje bile dijagrami sa većim brojem čvorova nego u prethodnom koraku.

Stoga je izračunavanje i mjerenje svjetskih konstanti pouzdan kriterij za to da li je teorija istinita ili lažna. Osim toga, njihovo pojašnjenje može podstaći napredak u srodnim oblastima. Na primjer, tačna vrijednost radijusa protona može biti korisna za kvantnu hromodinamiku, nauku koja proučava interakciju kvarkova. Konačno, povećanje preciznosti u mjerenju konstanti omogućilo je da se približimo testiranju hipoteze da se fundamentalne konstante mijenjaju tokom vremena.

Pored izazova povezanih sa QED testiranjem, rekordna tačnost je važna i za druge oblasti nauke i tehnologije. Tako je tehnologija optičkih češljeva omogućila ažuriranje metroloških standarda vremena i frekvencije, čineći rad atomskih satova još preciznijim, a samim tim i preciznijim satelitskim navigacijskim sistemima (GPS, GLONASS i drugi). Druga primjena ove tehnologije je mogućnost stvaranja vrlo kratkih laserskih impulsa. Sažimanjem energije jednog impulsa u samo nekoliko atosekundi (10−18 sekundi), moguće je postići vrlo visoke snage na vrhuncu, što otvara nove mogućnosti za proučavanje interakcije svjetlosti sa materijom. Konačno, nedavno otkrivanje gravitacionih talasa takođe duguje svoj uspeh visokoj preciznosti u detekciji optičkih signala.

Dijagram koji ilustruje osnovnu ideju atomske spektroskopije: 1 - izvor zračenja; 2 - kolimatorski sistem; 3 - komora sa atomiziranom supstancom; 4 - detektor. Izvor je potreban da bi se manipulisalo elektronskom strukturom atoma. U nekim slučajevima, za takve manipulacije, umjesto svjetlosti, može se koristiti drugi utjecaj, na primjer, električna struja.

Dakle, o kakvim eksperimentima je reč u slučaju merenja radijusa protona? To su uglavnom eksperimenti sa česticama - glavnim učesnicima u elektromagnetnoj interakciji: protonima i elektronima. Jedna klasa eksperimenata ispituje raspršivanje slobodnih elektrona protonima i mjeri njihovu kutnu distribuciju nakon interakcije. Druga klasa proučava atome – vezana stanja elektrona i jezgra, što je u svom najjednostavnijem slučaju jednostavno proton (atom vodika). Atomi se proučavaju pomoću optičke spektroskopije, iste metode koja je omogućila otkrivanje Balmerove serije.

Dijagram koji ilustruje osnovnu ideju raspršivanja elektrona i protona: 1 - kolimirani snop elektrona, stvoren, u pravilu, na akceleratoru; 2 - ciljna komora koja sadrži vodonik; 3 - pokretni detektor.

U svim slučajevima pristup teoretičara tumačenju eksperimenta je isti: pri izvođenju izmjerene vrijednosti koriste se formule za tačkasti proton, a zatim im se dodaje korekcija za konačnu veličinu. U slučaju atomske spektroskopije, na primjer, dobijaju se tri pojma: prvi je kvantnomehanički (opisuje Balmerove i fine strukture), drugi je kvantno elektrodinamički (razni Feynmanovi dijagrami), a treći je stvarna korekcija veličine jezgro. U ovom slučaju, zapravo, samo dvije konstante ostaju nepoznate: Rydbergova konstanta i radijus protona. Prednost eksperimentiranja s atomima je u tome što spektar atoma sadrži veliki broj frekvencija koje se mogu izmjeriti, a svaka frekvencija je zapravo poseban eksperiment.

Zahvaljujući razvoju optičke tehnologije, do početka 21. veka već je postojao prilično veliki uzorak spektroskopskih podataka visoke preciznosti, na osnovu kojih je dobijena vrednost poluprečnika protona od 0,8802 ± 0,0080 femtometra (1 femtometar = 10 −15 metara). Kombinovanje ove vrednosti sa vrednošću dobijenom rasejanjem elektrona dalo je vrednost od 0,8775 ± 0,0051 femtometar, koju je Komitet za podatke za nauku i tehnologiju Međunarodnog saveta za nauku (CODATA) prihvatio kao konstantu.

U isto vrijeme, prije 50 godina zapaženo je da se tačnost mjerenja radijusa naelektrisanja protona može poboljšati ako se elektron u atomu vodika zamijeni mionom. Danas se za mion zna da se ne razlikuje od elektrona, osim što mu je masa 207 puta veća, a sam je nestabilan i nakon nekog vremena se raspada. Veća masa znači da će biti 207 puta bliža jezgru. A ako je tako, onda će relativni doprinos energiji stanja konačne veličine jezgra (ta ista treća korekcija) za mionski atom biti mnogo veći nego za običan.

Približna shema eksperimenta s mionskim atomima sastoji se od nekoliko dijelova. Na samom početku koristi se akcelerator, čiji su jedan od proizvoda mionski snopovi. Mioni tada moraju nekako biti dostavljeni u šupljinu komoru koja sadrži molekularni vodonik pri niskom pritisku i temperaturi. Jednom u komori, mioni pomiču elektrone i formiraju pobuđene mionske atome. Sve daljnje manipulacije s takvim atomima izvode se na isti način kao i sa običnim, s jedinom razlikom što su frekvencije svih zračenja sada 207 puta veće.

Do nedavno, ovu šemu nije bilo moguće prilagoditi za mjerenje radijusa protona. Razlog tome je bio što je sa egzotičnim mionskim snopovima prilično teško raditi jer su nestabilni i moraju se stalno odvajati od elektrona. Osim toga, greška spektroskopskih mjerenja ostavila je mnogo željenog. Naučnici sa Instituta Paul Scherrer, koji se nalazi u Švicarskoj, pod okriljem projekta CREMA (Charge Radius Experiment with Muonic Atoms), prvi su prevladali ove poteškoće.

Tri sedmice do isteka roka

Dakle, budući da su fizičari u CREMA-i bili suočeni sa zadatkom rafiniranja poznate vrijednosti, imali su ideju u kojem rasponu će tražiti rezonanciju. Ovaj raspon je odlučujući pri dizajniranju eksperimentalne postavke, koja je u ovom slučaju prilično složena i uključuje akcelerator čestica, vakuumsku radnu komoru, kao i prilično glomazan optički sistem sa nekoliko lasera. Stoga nije teško zamisliti zbunjenost eksperimentatora nakon što su, prilikom ponovnog podešavanja lasera, prošli kroz cijeli raspon, ali ipak nisu naišli na rezonanciju između zračenja i datog prijelaza u mionskom vodiku.

Njihov sljedeći korak bio je rekonstrukcija eksperimentalne postavke na susjedni frekvencijski opseg, što je zahtijevalo određeno vrijeme i resurse. Međutim, u novom opsegu nikada nije pronađena rezonanca. Tako, stalno mijenjajući svoje postavke, fizičari su se pomicali sve dalje od prvobitne frekvencije, trošeći godine i grantove na to.

Nakon deset godina traženja, menadžment projekta je eksperimentatorima postavio “crveni rok” – period nakon kojeg se projekat zatvara bez postizanja rezultata. Sav posao bi se dokumentovao i arhivirao, a projekat bi bio proglašen neuspelim, što bi, naravno, imalo značajne posledice na karijere ljudi koji su u njemu uključeni. Teško je zamisliti kakva je hrabrost potrebna da se nastavi traganje bez garancija za rezultat, pogotovo nakon što je objavljeno posljednje upozorenje. Utoliko je teže zamisliti radost koju je grupa doživjela kada je, tri sedmice prije roka, konačno otkrila željenu rezonancu. Nalaz je odgovarao radijusu protona od 0,84184 ± 0,00067 femtometara. Dr Aldo Antognini, jedan od učesnika u saradnji, uporedio je situaciju sa zapletom holivudskog filma, gde sve krene naopako, ali pet minuta pre kraja junaci postižu uspeh.

Grafikon koji pokazuje prisustvo rezonancije na frekvenciji od 49.881,88 gigaherca. Osa ordinata pokazuje količinu koja zapravo određuje broj zabilježenih činova apsorpcije zračenja ekscitativnog lasera mionskim vodonikom.

Pa zašto su fizičari bili toliko zatečeni ovim rezultatom? Razlog leži u već spomenutoj trci za preciznošću. Od svog stvaranja, QED je vjerno služio čovječanstvu, s vremena na vrijeme dokazujući svoju prediktivnu moć u nadmetanju s eksperimentima. Danas se QED smatra najtačnijom teorijom na svijetu - njena predviđanja su potvrđena do desete decimale. Takva besprijekorna usluga neminovno je dovela do snažnog osjećaja da svijet funkcionira upravo onako kako ga ova teorija opisuje, tako da se sva elektromagnetna fenomenologija u principu može opisati s beskrajnom preciznošću. Eksperiment na mionskom vodoniku se ne uklapa u ovaj osjećaj.

Teoretičari priznaju: u QED-u nema mjesta za korekcije koje bi mogle dati takav rezultat, iako je elektron zamijenjen mionom. To bi značilo kraj ere "beskonačne preciznosti" koju obećava sada opšteprihvaćena kvantna teorija elektromagnetizma. Iz tog razloga, teoretičari su bili vrlo skeptični prema sažetku izvještaja na konferenciji u Les Houchesu, a sam izvještaj je dostavljen u prilično nezgodno vrijeme: uveče nakon večere. Uprkos tome, sala je bila ispunjena do posljednjeg mjesta, a na kraju izvještaja počela je burna rasprava podignutim glasom.

Jedan od urednika časopisa skrenuo je pažnju na prijetnju besprijekornosti QED-a Priroda Jeff Flowers, koji je u istom broju u kojem je objavljen članak o saradnji CREMA, napisao kolumnu ironičnog naslova „Kvantna elektrodinamika. Čin u oklopu?”, koristeći poznati engleski idiom koji označava ranjivost nečega što je obično otporno na test snage. Također je primijetio da ako su eksperimenti ultraprecizne spektroskopije mionskog vodika ispravni, onda se u njima, a ne u džinovskim sudaračima, može otkriti iskorak izvan Standardnog modela.

Naravno, razlog neslaganja mogu biti i greške eksperimentatora, uprkos činjenici da su tokom eksperimenta referentne kalibracione rezonancije bile upravo tamo gde su trebale da budu. Međutim, dva kasnija eksperimenta CREMA kolaboracije su potvrdila: sve je u redu s eksperimentom, nešto nije u redu s teorijom. Prvi je izveden 2013. godine i sastojao se u činjenici da su umjesto jednog prijelaza u mionskom vodiku proučavana tri odjednom. Preciznost određivanja poluprečnika protona se gotovo udvostručila, a sama vrijednost se dalje udaljila od vrijednosti koju preporučuje CODATA i već je iznosila 0,84087 ± 0,00039 femtometara.

Drugi eksperiment je izvela ista grupa, ali na mionskom deuterijumu - sistemu koji se sastoji od protona i neutrona spojenih u jezgro deuterona i miona. Deuterijum se takođe dugo proučava različitim metodama, a kao iu slučaju mionskog vodonika, novi rezultati merenja veličine naboja deuterijuma metodom optičke spektroskopije pokazali su neslaganje sa starim. U časopisu je objavljen članak s rezultatima eksperimenta Nauka 2016. godine i N+1 Ovu vijest smo već pisali.

Čekajući revoluciju

Istraživači se tu, naravno, ne zaustavljaju, jer je svima očigledno da je nova stranica u istoriji proučavanja miona i mionskih sistema tek počela. Na primjer, planirano je proučavanje raspršivanja miona na protonima (slično kao što je to rađeno s elektronima). Osim toga, nastavljaju se spektroskopski eksperimenti s drugim jezgrama, posebno s mionskim helijumom. Zapravo, misterija radijusa protona postepeno prestaje biti misterija samo protona.

Do danas je bilo više od stotinu pokušaja da se riješi ova misterija, ali nijedan od njih nije dobio opće odobrenje zajednice fizičara. Sedam godina je dosta dugo za oblast fizike, koja je donedavno bila uzor trijumfa teorijske misli. Da li je to dobro ili loše? Naravno da je ovo dobro. Uostalom, fizika se uvijek razvijala kada su joj se postavljale takve zagonetke.

Zanimljivo je da je između otkrića zakona Balmerove serije, koji nam je dao kvantnu mehaniku, i otkrića Lambovog pomaka, koji nam je dao kvantnu elektrodinamiku, prošlo nešto više od 60 godina. I otprilike isto toliko godina prošlo je između otkrića Lambovog pomaka i pojave misterije protonskog radijusa. Slučajnost? Možda. Ali lijepo je pomisliti da smo možda na rubu nove revolucije u kvantnoj fizici.

Marat Khamadeev

Kopija tuđih materijala

Proton (elementarna čestica)

Teorija polja elementarnih čestica, koja djeluje u okviru NAUKE, zasniva se na osnovama koje je dokazala FIZIKA:

Klasična elektrodinamika,
Kvantna mehanika (bez virtuelnih čestica koje su u suprotnosti sa zakonom održanja energije),
Zakoni održanja su fundamentalni zakoni fizike.

Ovo je fundamentalna razlika između naučnog pristupa koji koristi teorija polja elementarnih čestica - prava teorija mora djelovati striktno unutar zakona prirode: ovo je NAUKA.

Korištenje elementarnih čestica koje ne postoje u prirodi, izmišljanje fundamentalnih interakcija koje ne postoje u prirodi ili zamjena interakcija koje postoje u prirodi fantastičnim, ignoriranje zakona prirode, upuštanje u matematičke manipulacije s njima (stvarajući privid nauke) - ovo je dio BAJKI koje se proglašavaju za nauku. Kao rezultat toga, fizika je skliznula u svijet matematičkih bajki. Bajkoviti likovi Standardnog modela (kvarkovi sa gluonima), zajedno sa bajkovitim gravitonima i bajkama iz “kvantne teorije” već su prodrli u udžbenike fizike – i obmanjuju djecu, pretvarajući matematičke bajke kao stvarnost. Pristalice poštene Nove fizike pokušale su se tome oduprijeti, ali snage nisu bile jednake. I tako je bilo sve do 2010. godine, prije pojave teorije polja elementarnih čestica, kada je borba za preporod FIZIKA-NAUKA prešla na nivo otvorenog sukoba između istinske naučne teorije i matematičkih bajki koje su preuzele vlast u fizici mikrosvet (i ne samo).

Ali čovječanstvo ne bi znalo za dostignuća Nove fizike bez interneta, pretraživača i mogućnosti slobodnog govorenja istine na stranicama stranice. Što se tiče publikacija koje zarađuju od nauke, ko ih danas čita za novac kada je moguće brzo i slobodno doći do traženih informacija na internetu.

1 Proton je elementarna čestica
2 Kada je fizika ostala nauka
3 Proton u fizici
4 Protonski radijus
5 Magnetski moment protona
6 Električno polje protona

Ernest Rutherford je 1919. godine, ozračivši jezgra dušika alfa česticama, primijetio stvaranje jezgara vodika. Rutherford je česticu nastalu u sudaru nazvao proton. Prve fotografije protonskih tragova u komori oblaka snimio je 1925. Patrick Blackett. Ali sami vodikovi joni (koji su protoni) bili su poznati mnogo prije Rutherfordovih eksperimenata.
Danas, u 21. veku, fizika može reći mnogo više o protonima.

1 Proton je elementarna čestica

Ideje fizike o strukturi protona mijenjale su se kako se fizika razvijala.

Fizika je u početku smatrala da je proton elementarna čestica sve do 1964. godine, kada su GellMann i Zweig nezavisno predložili hipotezu kvarka.

U početku je model kvarka adrona bio ograničen na samo tri hipotetička kvarka i njihove antičestice. To je omogućilo da se tačno opiše spektar elementarnih čestica poznat u to vrijeme, bez uzimanja u obzir leptona, koji se nisu uklapali u predloženi model i stoga su prepoznati kao elementarni, zajedno s kvarkovima. Cijena za to bila je uvođenje frakcionih električnih naboja koji ne postoje u prirodi. Zatim, kako se fizika razvijala i novi eksperimentalni podaci postali dostupni, model kvarka je postupno rastao i transformirao se, na kraju je postao Standardni model.

Fizičari su marljivo tragali za novim hipotetičkim česticama. Potraga za kvarkovima vršena je u kosmičkim zracima, u prirodi (pošto se njihov frakcijski električni naboj ne može kompenzovati) i na akceleratorima.
Decenije su prolazile, snaga akceleratora je rasla, a rezultat potrage za hipotetičkim kvarkovima uvijek je bio isti: Kvarkovi se NE nalaze u prirodi.

Vidjevši izglede za smrt kvarkovog (a potom i Standardnog) modela, njegove pristalice sastavile su i prenijele čovječanstvu bajku da su tragovi kvarkova uočeni u nekim eksperimentima. - Nemoguće je provjeriti ovu informaciju - eksperimentalni podaci se obrađuju po Standardnom modelu i uvijek će dati nešto po potrebi. Povijest fizike poznaje primjere kada je, umjesto jedne čestice, uvučena druga - posljednja takva manipulacija eksperimentalnim podacima bilo je klizanje vektorskog mezona kao fantastičnog Higsovog bozona, navodno odgovornog za masu čestica, ali istovremeno vrijeme koje ne stvara svoje gravitacijsko polje. Ova matematička priča je čak nagrađena Nobelovom nagradom za fiziku. U našem slučaju, stajaći talasi naizmeničnog elektromagnetnog polja, o kojima su pisane talasne teorije elementarnih čestica, uvučeni su kao vilinski kvarkovi.

Kada je tron pod standardnim modelom ponovo počeo da se trese, njegove pristalice su složile i ubacile čovečanstvu novu bajku za mališane, nazvanu "Zatvor". Svaka osoba koja razmišlja odmah će u tome vidjeti ismijavanje zakona održanja energije - temeljnog zakona prirode. Ali pristalice Standardnog modela ne žele da vide STVARNOST.

2 Kada je fizika ostala nauka

Dok je fizika još uvijek bila nauka, istina nije utvrđivana mišljenjem većine - već eksperimentom. Ovo je fundamentalna razlika između FIZIKE-NAUKE i matematičkih bajki koje se izdaju kao fizika.

Svi eksperimenti za traženje hipotetičkih kvarkova(osim, naravno, klizanja u svojim uvjerenjima pod krinkom eksperimentalnih podataka) su jasno pokazali: u prirodi NEMA kvarkova.

Sada pristalice Standardnog modela pokušavaju da zamijene rezultat svih eksperimenata, koji su za Standardni model postali smrtna kazna, svojim kolektivnim mišljenjem, provodeći ga kao stvarnost. Ali koliko god se bajka nastavila, ipak će biti kraja. Pitanje je samo kakav će to biti kraj: pristalice Standardnog modela će pokazati inteligenciju, hrabrost i promeniti svoje stavove nakon jednoglasne presude eksperimenata (ili bolje rečeno: presude PRIRODE), ili će biti poslani u istoriju usred univerzalni smeh Nova fizika - fizika 21. veka, poput pripovjedača koji su pokušali prevariti cijelo čovječanstvo. Njihov izbor je.

Sada o samom protonu.

3 Proton u fizici

Proton - elementarna čestica kvantni broj L=3/2 (spin = 1/2) - barionska grupa, protonska podgrupa, električni naboj +e (sistematizacija prema teoriji polja elementarnih čestica).
Prema teoriji polja elementarnih čestica (teoriji izgrađenoj na naučnim osnovama i jedinoj koja je dobila ispravan spektar svih elementarnih čestica), proton se sastoji od rotirajućeg polariziranog naizmjeničnog elektromagnetnog polja sa konstantnom komponentom. Sve neutemeljene tvrdnje Standardnog modela da se proton navodno sastoji od kvarkova nemaju nikakve veze sa stvarnošću. - Fizika je eksperimentalno dokazala da proton ima elektromagnetna polja, ali i gravitaciono polje. Fizika je prije 100 godina sjajno pretpostavila da elementarne čestice ne samo da imaju, već se i sastoje od elektromagnetnih polja, ali nije bilo moguće konstruirati teoriju do 2010. godine. Sada, 2015. godine, pojavila se i teorija gravitacije elementarnih čestica, koja je utvrdila elektromagnetsku prirodu gravitacije i dobila jednačine gravitacionog polja elementarnih čestica, različite od jednadžbi gravitacije, na osnovu kojih je više od jedne matematičke izgrađena bajka iz fizike.

U ovom trenutku, teorija polja elementarnih čestica (za razliku od Standardnog modela) nije u suprotnosti s eksperimentalnim podacima o strukturi i spektru elementarnih čestica i stoga se može smatrati od strane fizike kao teorijom koja funkcionira u prirodi.

Struktura elektromagnetnog polja protona(E-konstantno električno polje, H-konstantno magnetsko polje, naizmjenično elektromagnetno polje označeno je žutom bojom)

Energetski bilans (procenat ukupne unutrašnje energije):

konstantno električno polje (E) - 0,346%,
konstantno magnetno polje (H) - 7,44%,
naizmenično elektromagnetno polje - 92,21%.

Iz toga slijedi da je za proton m 0~ =0,9221m 0 i oko 8 posto njegove mase koncentrisano u konstantnim električnim i magnetskim poljima. Odnos između energije koncentrisane u konstantnom magnetskom polju protona i energije koncentrisane u konstantnom električnom polju je 21,48. Ovo objašnjava prisustvo nuklearnih sila u protonu.

Električno polje protona sastoji se od dva regiona: spoljašnjeg regiona sa pozitivnim nabojem i unutrašnjeg regiona sa negativnim nabojem. Razlika u nabojima vanjskog i unutrašnjeg područja određuje ukupni električni naboj protona +e. Njegova kvantizacija se zasniva na geometriji i strukturi elementarnih čestica.

A ovako izgledaju fundamentalne interakcije elementarnih čestica koje stvarno postoje u prirodi:

4 Protonski radijus

Teorija polja elementarnih čestica definira radijus (r) čestice kao udaljenost od centra do tačke u kojoj se postiže maksimalna gustina mase.

Za proton, to će biti 3,4212 ∙10 -16 m. Ovome moramo dodati debljinu sloja elektromagnetnog polja i dobiće se poluprečnik oblasti prostora koju zauzima proton:

Za proton to će biti 4,5616 ∙10 -16 m. Dakle, vanjska granica protona nalazi se na udaljenosti od 4,5616 ∙10 -16 m od centra čestice električno i konstantno magnetsko polje protona, prema zakonima elektrodinamike, nalazi se izvan ovog radijusa.

5 Magnetski moment protona

Za razliku od kvantne teorije, teorija polja elementarnih čestica kaže da magnetna polja elementarnih čestica ne nastaju rotacijom spina električnih naboja, već postoje istovremeno sa konstantnim električnim poljem kao konstantnom komponentom elektromagnetnog polja. Zbog toga Sve elementarne čestice sa kvantnim brojem L>0 imaju konstantna magnetna polja.

Teorija polja elementarnih čestica ne smatra da je magnetni moment protona anomalan – njegova vrijednost je određena skupom kvantnih brojeva u mjeri u kojoj kvantna mehanika funkcionira u elementarnoj čestici.

Dakle, glavni magnetni moment protona stvaraju dvije struje:

(+) sa magnetnim momentom +2 (eħ/m 0 s)
(-) sa magnetnim momentom -0,5 (eħ/m 0 s)

Da bi se dobio rezultujući magnetni moment protona, potrebno je sabrati oba momenta, pomnožiti sa procentom energije sadržane u talasnom naizmeničnom elektromagnetskom polju protona (podeljeno sa 100%) i dodati spin komponentu (vidi Teoriju polja elementarne čestice 2. dio, odjeljak 3.2), kao rezultat dobijamo 1,3964237 eh/m 0p c. Da bismo se pretvorili u obične nuklearne magnetone, rezultirajući broj se mora pomnožiti sa dva - na kraju imamo 2,7928474.

Kada je fizika pretpostavila da se magnetni momenti elementarnih čestica stvaraju rotacijom njihovog električnog naboja, predložene su odgovarajuće jedinice za njihovo mjerenje: za proton je to eh/2m 0p c (zapamtite da je vrijednost spina protona 1 /2) nazvan nuklearni magneton. Sada se 1/2 može izostaviti, jer ne nosi semantičko opterećenje, i ostaviti jednostavno eh/m 0p c.

Ali ozbiljno, unutar elementarnih čestica nema električnih struja, ali postoje magnetna polja (i nema električnih naboja, ali postoje električna polja). Nemoguće je zamijeniti prava magnetska polja elementarnih čestica magnetnim poljima struja (kao i prava električna polja elementarnih čestica poljima električnih naboja), bez gubitka tačnosti - ova polja imaju drugačiju prirodu. Ovdje postoji još neka elektrodinamika - Elektrodinamika fizike polja, koja tek treba biti stvorena, kao i sama fizika polja.

6 Električno polje protona

6.1 Protonsko električno polje u dalekoj zoni

Znanje fizike o strukturi protonskog električnog polja se promijenilo kako se fizika razvijala. U početku se vjerovalo da je električno polje protona polje tačkastog električnog naboja +e. Za ovo polje će postojati:

potencijal električno polje protona u tački (A) u dalekoj zoni (r > > r p) tačno u SI sistemu je jednako:

tenzija E protonskog električnog polja u dalekoj zoni (r > > r p) tačno, u SI sistemu je jednako:

Gdje n = r/|r| - jedinični vektor od centra protona u pravcu tačke posmatranja (A), r - udaljenost od centra protona do tačke posmatranja, e - elementarni električni naboj, vektori su podebljani, ε 0 - električna konstanta, r p =Lħ /(m 0~ c ) je poluprečnik protona u teoriji polja, L je glavni kvantni broj protona u teoriji polja, ħ je Plankova konstanta, m 0~ je količina mase sadržana u naizmjeničnom elektromagnetnom polju proton koji miruje, C je brzina svjetlosti. (Ne postoji SI množitelj u GHS sistemu.)

Ovi matematički izrazi su tačni za dalju zonu protonskog električnog polja: r p , ali je fizika tada pretpostavila da se njihova valjanost proteže i na bližu zonu, do udaljenosti reda od 10 -14 cm.

6.2 Električni naboji protona

U prvoj polovini 20. vijeka, fizika je vjerovala da proton ima samo jedan električni naboj i da je jednak +e.

Nakon pojave hipoteze o kvarku, fizika je sugerirala da unutar protona ne postoji jedan, već tri električna naboja: dva električna naboja +2e/3 i jedan električni naboj -e/3. Ukupno, ovi troškovi daju +e. Ovo je učinjeno jer je fizika sugerirala da proton ima složenu strukturu i da se sastoji od dva up kvarka sa nabojem od +2e/3 i jednog d kvarka sa nabojem od -e/3. Ali kvarkovi nisu pronađeni ni u prirodi ni u akceleratorima pri bilo kojoj energiji, i preostalo je ili uzeti njihovo postojanje na vjeru (što su pristalice Standardnog modela radili) ili tražiti drugu strukturu elementarnih čestica. Ali u isto vrijeme, eksperimentalne informacije o elementarnim česticama neprestano su se gomilale u fizici, a kada su se nakupile dovoljno da se preispita ono što je učinjeno, rođena je teorija polja elementarnih čestica.

Prema teoriji polja elementarnih čestica, konstantno električno polje elementarnih čestica s kvantnim brojem L>0, nabijenih i neutralnih, stvara konstantna komponenta elektromagnetnog polja odgovarajuće elementarne čestice(nije električni naboj osnovni uzrok električnog polja, kako je vjerovala fizika u 19. stoljeću, već su električna polja elementarnih čestica takva da odgovaraju poljima električnih naboja). A polje električnog naboja nastaje kao rezultat prisustva asimetrije između vanjske i unutrašnje hemisfere, stvarajući električna polja suprotnih predznaka. Za nabijene elementarne čestice, polje elementarnog električnog naboja stvara se u dalekoj zoni, a predznak električnog naboja je određen predznakom električnog polja koje stvara vanjska hemisfera. U bliskoj zoni ovo polje ima složenu strukturu i dipol je, ali nema dipolni moment. Za približan opis ovog polja kao sistema tačkastih naelektrisanja bit će potrebno najmanje 6 “kvarkova” unutar protona - bit će preciznije ako uzmemo 8 “kvarkova”. Jasno je da će električni naboji takvih "kvarkova" biti potpuno drugačiji od onoga što standardni model (sa svojim kvarkovima) smatra.

Teorija polja elementarnih čestica utvrdila je da se proton, kao i svaka druga pozitivno nabijena elementarna čestica, može razlikovati dva električna naboja i, shodno tome, dva električna radijusa:

električni radijus vanjskog konstantnog električnog polja (naboj q + =+1,25e) - r q+ = 4,39 10 -14 cm,
električni radijus unutrašnjeg konstantnog električnog polja (naboj q - = -0,25e) - r q- = 2,45 10 -14 cm.

Ove karakteristike protonskog električnog polja odgovaraju raspodjeli 1. teorije polja elementarnih čestica. Fizika još nije eksperimentalno utvrdila tačnost ove distribucije i koja raspodjela najtačnije odgovara stvarnoj strukturi konstantnog električnog polja protona u bližoj zoni, kao i strukturi električnog polja protona u bližoj zoni. (na udaljenostima reda r p). Kao što vidite, električni naboji su po veličini bliski nabojima pretpostavljenih kvarkova (+4/3e=+1,333e i -1/3e=-0,333e) u protonu, ali za razliku od kvarkova, elektromagnetna polja postoje u prirode, i imaju sličnu strukturu konstante Svaka pozitivno nabijena elementarna čestica ima električno polje, bez obzira na veličinu spina i... .

Vrijednosti električnih radijusa za svaku elementarnu česticu su jedinstvene i određene su glavnim kvantnim brojem u teoriji polja L, vrijednošću mase mirovanja, postotkom energije sadržane u naizmjeničnom elektromagnetnom polju (gdje kvantna mehanika radi ) i strukturu konstantne komponente elektromagnetnog polja elementarne čestice (istu za sve elementarne čestice sa datim glavnim kvantnim brojem L), generirajući vanjsko konstantno električno polje. Električni radijus označava prosječnu lokaciju električnog naboja ravnomjerno raspoređenog po obodu, stvarajući slično električno polje. Oba električna naboja leže u istoj ravni (ravnina rotacije naizmjeničnog elektromagnetnog polja elementarne čestice) i imaju zajednički centar koji se poklapa sa centrom rotacije naizmjeničnog elektromagnetnog polja elementarne čestice.

6.3 Električno polje protona u bliskoj zoni

Poznavajući veličinu električnih naboja unutar elementarne čestice i njihovu lokaciju, moguće je odrediti električno polje koje oni stvaraju.

električno polje protona u bliskoj zoni (r~r p), u sistemu SI, kao vektorska suma, približno je jednako:

Gdje n+ = r +/|r + | - jedinični vektor od bliske (1) ili dalje (2) tačke protonskog naboja q + u pravcu tačke posmatranja (A), n- = r-/|r - | - jedinični vektor od bliže (1) ili dalje (2) tačke protonskog naboja q - u pravcu tačke posmatranja (A), r - udaljenost od centra protona do projekcije tačke posmatranja na ravan protona, q + - spoljašnji električni naboj +1,25e, q - - unutrašnji električni naboj -0,25e, vektori su podebljani, ε 0 - električna konstanta, z - visina tačke posmatranja (A) (udaljenost od tačka posmatranja do protonske ravni), r 0 - parametar normalizacije. (U GHS sistemu nema množitelja. SI množitelj.)

Ovaj matematički izraz je zbir vektora i mora se izračunati prema pravilima vektorskog sabiranja, budući da je ovo polje dva distribuirana električna naboja (+1,25e i -0,25e). Prvi i treći član odgovaraju bliskim tačkama naboja, drugi i četvrti - udaljenim. Ovaj matematički izraz ne radi u unutrašnjem (prstenastom) području protona, stvarajući njegova konstantna polja (ako su dva uslova istovremeno ispunjena: ħ/m 0~ c

Potencijal električnog polja proton u tački (A) u bliskoj zoni (r~r p), u SI sistemu je približno jednak:

gde je r 0 normalizujući parametar, čija se vrednost može razlikovati od r 0 u formuli E. (U sistemu SGS ne postoji faktor SI množilac.) Ovaj matematički izraz ne radi u unutrašnjem (prstenastom) regionu protona , generišući svoja konstantna polja (uz istovremeno izvršavanje dva uslova: ħ/m 0~ c

Kalibracija r 0 za oba izraza bliskog polja mora se izvršiti na granici područja koje generiše konstantna protonska polja.

7 Protonska masa mirovanja

U skladu s klasičnom elektrodinamikom i Einsteinovom formulom, masa mirovanja elementarnih čestica s kvantnim brojem L>0, uključujući proton, definirana je kao ekvivalent energije njihovih elektromagnetnih polja:

gdje je definitivni integral uzet preko cijelog elektromagnetnog polja elementarne čestice, E je jačina električnog polja, H je jačina magnetnog polja. Ovdje se uzimaju u obzir sve komponente elektromagnetnog polja: konstantno električno polje, konstantno magnetsko polje, naizmjenično elektromagnetno polje. Ova mala, ali vrlo fizikalno opsežna formula, na osnovu koje se izvode jednadžbe za gravitacijsko polje elementarnih čestica, poslat će više od jedne bajkovite „teorije“ na otpad – zato će neki od njihovih autora mrzim to.

Kao što slijedi iz gornje formule, vrijednost mase mirovanja protona zavisi od uslova u kojima se proton nalazi. Dakle, postavljanjem protona u konstantno vanjsko električno polje (na primjer, atomsko jezgro), utjecat ćemo na E 2, što će utjecati na masu protona i njegovu stabilnost. Slična situacija će nastati kada se proton stavi u konstantno magnetsko polje. Stoga se neka svojstva protona unutar atomskog jezgra razlikuju od istih svojstava slobodnog protona u vakuumu, daleko od polja.

8 Životni vijek protona

Životni vijek protona utvrđen fizikom odgovara slobodnom protonu.

Teorija polja elementarnih čestica to kaže životni vek elementarne čestice zavisi od uslova u kojima se nalazi. Postavljanjem protona u vanjsko polje (kao što je električno), mijenjamo energiju sadržanu u njegovom elektromagnetnom polju. Možete odabrati znak vanjskog polja tako da se unutarnja energija protona povećava. Moguće je odabrati takvu vrijednost jakosti vanjskog polja da postane moguće da se proton raspadne na neutron, pozitron i elektronski neutrino, te stoga proton postaje nestabilan. To je upravo ono što se uočava u atomskim jezgrama, u kojima električno polje susjednih protona pokreće raspad protona jezgra. Kada se dodatna energija unese u jezgro, raspad protona može početi pri nižoj jakosti vanjskog polja.

Jedna zanimljiva karakteristika: tokom raspada protona u atomskom jezgru, u elektromagnetnom polju jezgra, iz energije elektromagnetnog polja se rađa pozitron - iz "materije" (protona) se rađa "antimaterija" (pozitron) !!! i to nikoga ne iznenađuje.

9 Istina o Standardnom modelu

Hajde da se sada upoznamo sa informacijama koje pristalice Standardnog modela neće dozvoliti da budu objavljene na „politički korektnim“ sajtovima (kao što je svetska Wikipedia) na kojima protivnici Nove fizike mogu nemilosrdno brisati (ili iskrivljavati) informacije pristalica Nove fizike, zbog čega je ISTINA postala žrtva politike:

Godine 1964. Gellmann i Zweig su nezavisno predložili hipotezu o postojanju kvarkova, od kojih se, po njihovom mišljenju, sastoje hadroni. Nove čestice su obdarene delimičnim električnim nabojem koji ne postoji u prirodi.

Leptoni se NISU uklapali u ovaj model kvarka, koji je kasnije prerastao u standardni model, pa su stoga prepoznati kao zaista elementarne čestice.
Da bi se objasnila povezanost kvarkova u hadronu, pretpostavljeno je postojanje u prirodi jake interakcije i njenih nosača, gluona. Gluoni, kao što se očekivalo u kvantnoj teoriji, bili su obdareni jediničnim spinom, identitetom čestice i antičestice i nultom masom mirovanja, poput fotona.

U stvarnosti, u prirodi ne postoji jaka interakcija hipotetičkih kvarkova, već nuklearnih sila nukleona - a to su različiti koncepti.

Prošlo je 50 godina. Kvarkovi nikada nisu pronađeni u prirodi i za nas je izmišljena nova matematička bajka pod nazivom "Zatvor". Čovjek koji razmišlja lako može vidjeti u tome eklatantno zanemarivanje temeljnog zakona prirode - zakona održanja energije. Ali misleća osoba će to učiniti, a pripovjedači su dobili izgovor koji im je odgovarao.

Gluoni također NISU nađeni u prirodi. Činjenica je da samo vektorski mezon (i još jedno od pobuđenih stanja mezona) mogu imati jedinični spin u prirodi, ali svaki vektorski mezon ima antičesticu. - Zbog toga vektorski mezoni nisu pogodni kandidati za "gluone". Prvih devet pobuđenih stanja mezona ostaje, ali 2 od njih su u suprotnosti sa samim Standardnim modelom i Standardni model ne priznaje njihovo postojanje u prirodi, a ostala je fizika dobro proučila i neće ih biti moguće odbaciti kao fantastični gluoni. Postoji još jedna posljednja opcija: predati vezano stanje para leptona (muona ili tau leptona) kao gluon - ali čak i to se može izračunati tokom raspada.

dakle, U prirodi također nema gluona, kao što nema kvarkova i fiktivne snažne interakcije u prirodi..

Mislite da pristalice Standardnog modela to ne razumiju – još uvijek razumiju, ali jednostavno je bolesno priznati zabludu onoga što su radili decenijama. Zato vidimo nove matematičke bajke („teorija nizova“ itd.).

10 Nova fizika: Proton - sažetak

U glavnom dijelu članka nisam detaljno govorio o vilinskim kvarkovima (sa vilinskim gluonima), jer oni NISU u prirodi i nema smisla puniti glavu bajkama (nepotrebno) - i bez osnovnih elemenata temelj: kvarkovi sa gluonima, standardni model se urušio - vrijeme njegove dominacije u fizici POTPUNO (vidi Standardni model).

Možete ignorisati mesto elektromagnetizma u prirodi koliko god želite (susrećući ga na svakom koraku: svetlost, toplotno zračenje, struja, televizija, radio, telefonske komunikacije, uključujući mobilne, internet, bez kojih čovečanstvo ne bi znalo za postojanje elementarnih čestica Teorije polja, ...), i nastavljaju izmišljati nove bajke kako bi zamijenile one bankrotirane, pretvarajući ih u nauku; možete, uz upornost dostojnu bolje upotrebe, nastaviti da ponavljate napamet naučene PRIČE Standardnog modela i Kvantne teorije; ali elektromagnetna polja u prirodi bila su, jesu, bit će i mogu sasvim dobro bez virtuelnih čestica iz bajke, kao i gravitacije koju stvaraju elektromagnetna polja, ali bajke imaju vrijeme rođenja i vrijeme kada prestaju utjecati na ljude. Što se tiče prirode, nju NE BRIGA do bajke ili bilo koje druge književne aktivnosti čovjeka, čak i ako se za njih dodjeljuje Nobelova nagrada za fiziku. Priroda je strukturirana onako kako je strukturirana, a zadatak FIZIKE-NAUKE je da je razumije i opiše.

Sada se pred vama otvorio novi svijet - svijet dipolnih polja, za čije postojanje fizika 20. stoljeća nije ni slutila. Vidjeli ste da proton nema jedan, već dva električna naboja (spoljni i unutrašnji) i dva odgovarajuća električna radijusa. Vidjeli ste od čega se sastoji masa mirovanja protona i da imaginarni Higsov bozon nije radio (odluke Nobelovog komiteta još nisu prirodni zakoni...). Štaviše, veličina mase i životni vijek zavise od polja u kojima se proton nalazi. Samo zato što je slobodni proton stabilan ne znači da će ostati stabilan uvijek i svuda (u atomskim jezgrima se uočavaju raspadi protona). Sve ovo prevazilazi koncepte koji su dominirali fizikom u drugoj polovini dvadesetog veka. - Fizika 21. veka - Nova fizika prelazi na novi nivo znanja o materiji, a očekuju nas nova zanimljiva otkrića.

Vladimir Gorunovich

Pokazalo se da je radijus protona 4 posto manji nego što se ranije mislilo. Ovaj zaključak donijela je grupa fizičara koji su do sada izvršili najpreciznije mjerenje polumjera elementarne čestice.

Proton je, zajedno s neutronom, dio atomskih jezgara. Nemoguće je direktno odrediti veličinu ove čestice, jer ona nema jasnu prostornu granicu. Međutim, naučnici mogu procijeniti radijus protona određujući koliko daleko se prostire njegov pozitivni naboj. Da bi izvršili ova mjerenja, istraživači rade s atomima vodonika, koji se sastoje od jednog protona i jednog elektrona. Elektron se ne okreće oko protona duž strogo utvrđenih putanja - ova elementarna čestica može zauzeti određene energetske razine. Godine 1947. američki fizičari Willis Eugene Lamb i Robert Rutherford otkrili su da elektron u atomu vodika može oscilirati između dva energetska nivoa (ovaj fenomen se naziva Lambov pomak). Otkrivši kolika je energetska razlika između ova dva nivoa, naučnici mogu, na osnovu principa teorije kvantne elektrodinamike, izračunati radijus protona, pojašnjava portal ScienceNOW.

Autori novog rada odlučili su da razjasne ranije dobijene procjene veličine protona koristeći neobičnu eksperimentalnu tehnologiju. Fizičari su dobili strukturu sličnu atomu vodika, u kojoj je umjesto elektrona bio mion - negativno nabijena elektronska čestica 207 puta teža od elektrona. Zbog razlike u masi, mion kruži oko 200 puta bliže protonu, a promjene njegovih energetskih nivoa mnogo više zavise od karakteristika protona.

Koristeći najmoćniji mionski akcelerator na švicarskom institutu Paul Scherrer, naučnici su "lansirali" mione u posudu koja sadrži atome vodonika. U ovom slučaju, otprilike svaki stoti mion koji je zamijenio elektron "otpao" je na viši energetski nivo od onih koje je "dozvolio" Lambov pomak. Takve čestice postojale su dvije mikrosekunde, što je red veličine duže nego u prethodnim eksperimentima. Koristeći laser sa posebno odabranim karakteristikama, fizičari su mionu dali dodatnu energiju, koja je bila sasvim dovoljna za prelazak na sljedeći nivo. Gotovo odmah, mion se vratio na niži energetski nivo, emitujući rendgenske zrake, objašnjava Wired. Analizom ovog zračenja stručnjaci su uspjeli odrediti nivo energije, a zatim i radijus protona. Ovdje možete vidjeti video na engleskom, koji odražava glavne faze eksperimenta.

Na osnovu rezultata eksperimenata, naučnici su izračunali da je radijus protona 0,84184 femtometra (femtometar je 10-15 metara), što je 4 posto manje od trenutno prihvaćene vrijednosti. Za sada istraživači ne mogu objasniti nove rezultate, jer su u suprotnosti s teorijom kvantne elektrodinamike, koja se smatra najpreciznijom fizičkom teorijom. Kolege autora ne isključuju da uzrok neslaganja može biti greška (ili greške) koja se dogodila u jednoj od faza eksperimenta. Drugo moguće objašnjenje su greške u principima teorije kvantne elektrodinamike. I na kraju, treća opcija, o kojoj stručnjaci govore s velikim oprezom, je da novi rezultati ukazuju da proton ima svojstva potpuno nepoznata fizičarima.

Ozbiljan problem postoji u atomskoj fizici nekoliko godina: radijus protona dobijen u pionirskom eksperimentu s mionskim vodonikom uvelike se razlikuje od rezultata tradicionalnih mjerenja. Unatoč naporima stotina fizičara, još uvijek ne postoji općeprihvaćeno rješenje problema. Nije jasno ni u čemu je kvaka: u proračunima, u eksperimentima (i onda u kojim), u obradi podataka ili, konačno, u samoj prirodi. Neki dan je ista eksperimentalna grupa pogoršala problem: slična mjerenja u mionskom deuterijumu daju rezultat koji se vrlo razlikuje od običnog deuterijuma.

Misteriozni radijus protona: u čemu je problem i zašto zabrinjava fizičare

Prije šest godina, CREMA kolaboracija, tim eksperimentatora sa švicarskog Paul Scherrer instituta (PSI), zaprepastila je fizičare neočekivanom najavom: njihov eksperiment mjerenja veličine protona dao je rezultat koji je bio 4% manji nego što se ranije mislilo. U nastojanju da poboljšaju tačnost mjerenja ove prilično dobro proučene veličine, izveli su pionirski eksperiment: izmjerili su radijus protona kroz promjenu nivoa energije u mionskom vodoniku (atomu μp). Njihova tačnost se zaista pokazala odličnom - barem dvadeset puta boljom od bilo kojeg od brojnih prethodnih mjerenja. Ali rezultat je bio samo pet standardnih devijacija različitih od vrijednosti dobivene od strane CODATA komiteta pri usrednjavanju svih prethodnih eksperimenata (a do tada su se izvodili samo uz interakciju elektron-proton). Ista grupa je 2013. ažurirala mjerenja i povećala tačnost - a odstupanje je već dostiglo 7σ.

Ovako sam ušao u osnovnu fiziku misterija protonskog radijusa- i, uprkos naporima stotina stručnjaka, još uvijek ostaje neriješeno.

Štaviše, u ovoj situaciji nije ni jasno gdje je kvaka. Jedno je kada eksperiment odstupi od teorije - to se često događa u fizici mikrosvijeta i pomaže da se poboljšaju teorijski modeli ili odbace hipoteze koje nisu relevantne za naš svijet. Takođe se dešava - iako mnogo rjeđe - da različite metode mjerenja iste količine daju različite rezultate. Najupečatljiviji primjer je mjerenje gravitacijske konstante: već postoje četiri (!) eksperimentalne vrijednosti koje se međusobno razlikuju za desetine sigma. Bez sumnje, ovo je neugodna situacija, jer rezultat može biti samo jedan. Ali je barem jasno da problem ovdje leži u neobračunatim eksperimentalnim greškama.

A u situaciji sa radijusom protona nije jasno šta kriviti. Što je s ovim eksperimentima s mionskim atomima? Teško je povjerovati da su eksperimentatori pogriješili za stotinu (!) svojih sigma, pogotovo kada u svom spektru savršeno vide referentne kalibracijske linije tamo gdje bi trebale biti. Osim toga, druge spektroskopske veličine mjerene njima, kao što je hiperfino cijepanje, dobro se slažu s teorijskim proračunima.

Ili bismo trebali kriviti sve prethodne eksperimente s elektronima? Ali bilo ih je više od deset (općenito, bilo ih je na stotine, samo je kod većine greška bila veća od otkrivenog odstupanja). Ili možda problem nije u samim rezultatima mjerenja, već u teorijskim formulama preko kojih se iz njih izračunava polumjer protona? Na kraju krajeva, oni se dobivaju iz vrlo netrivijalnih proračuna i sadrže mnoge zamke. Ova neprijatna mogućnost, posebno za takve naizgled elementarne sisteme kao što je (mionski) atom vodonika, čini teoretičare veoma nervoznim. I konačno, može se ispostaviti da je sve u redu i sa eksperimentima i sa formulama, a neslaganje unosi potpuno novi, do sada nepoznati fizički efekat, neku verziju Nove fizike, za kojom se toliko dugo i do sada bezuspešno traži kod sudarača.

Da bi se nekako sredio ovaj splet pitanja, korisno je provesti eksperimente ne s protonom, već s drugim jezgrama i provjeriti kako se ovdje slažu metode mjerenja elektrona i miona. Neki dan je ista grupa sa Instituta Paul Scherrer objavila u časopisu Naukačlanak sa rezultatima spektroskopskih mjerenja u mionski deuterijum. Iz njih su fizičari izdvojili poluprečnik deuterona (vezano stanje protona i neutrona), uporedili ga sa vrednošću dobijenom u običnom, elektronskom deuterijumu - i takođe otkrili veliku neslaganje. dakle, misteriozni nesklad između mionskih i elektronskih metoda je potvrđen i ojačan; i proteže se ne samo na proton, već i na druga jezgra.

Metode mjerenja radijusa protona

Ajmo sada malo ozbiljnije zaroniti u ovu temu. Atomska jezgra su sto hiljada puta manja od samih atoma, tako da ne možete direktno izmjeriti jezgro nikakvim „minijaturnim kaliperom“. Međutim, veličina jezgra se može osjetiti indirektno, kroz utjecaj koji netačkasto jezgro ima na različite pojave.

Ovdje moramo odmah dati objašnjenje. Isti kernel može imati nekoliko različitih veličina. Ovisno o procesu kojim ga ispitujemo, čak i jedan proton može izgledati veći ili manji. Ova vijest će se fokusirati isključivo na elektromagnetnu interakciju između jezgra (na primjer, protona) i elektrona, jer je to najpogodniji proces za mjerenje. Zavisi kako su električni naboji raspoređeni unutar protona. Detalji ove distribucije su srećom nevažni; efekat se izražava kroz prosečnu „električnu veličinu“ protona - poluprečnik punjenja r p. O tome kakvi još radijusi postoje i u kojim problemima se nalaze, pročitajte u vijestima Optičko istraživanje pomaže u proučavanju jezgara s neutronskim oreolom (Elementi, 18.10.2013.).

Postoje dvije vrste eksperimenata za mjerenje radijusa naboja protona. Prvi je sudar protona sa elektronima koji slobodno lete. Eksperiment mjeri kutnu raspodjelu raspršenih elektrona i upoređuje ovu raspodjelu s teorijskim predviđanjem za tacka jezgra i vidi razliku koja nastaje upravo zbog unutrašnje strukture jezgra. Iz ove razlike izračunava se njegov radijus punjenja.

Druga metoda je spektroskopska, kroz interakciju jezgra sa povezane elektron. Elektron u atomu je rasprostranjen po zapremini koja je mnogo veća od jezgra. Međutim, mali dio elektronskog oblaka i dalje ulazi u jezgro - i što je jezgro veće, to je veći i ovaj udio. Unutar jezgra električno polje nije isto kao što bi bilo iz nabijene tačke, a to malo mijenja energiju vezivanja jezgra sa elektronom, odnosno pomjera nivo energije. Imajte na umu da ovaj efekat radi samo za elektrone u S orbitali; elektroni u višim orbitalama rotiraju oko jezgra i ne mogu prodrijeti direktno u centralni region (slika 4). Stoga, ako vrlo precizno izmjerite razliku u energiji dva elektronska nivoa, onda pomoću teoretskih formula možete izračunati polumjer jezgre.

Ova metoda ima dvije varijante. Prvo, možete uporediti dva elektronska nivoa sa istim glavnim kvantnim brojem, na primer nivoe 2S i 2P (slika 5). Ova razlika se naziva Lambov pomak. Mali je, samo 4 mikroelektronvolta za cijepanje 2S–2P u atomu vodonika, ali ga moderne spektroskopske metode lako mogu izmjeriti. Nastaje uglavnom zbog kvantnih fluktuacija elektromagnetnog polja, ali tome doprinose još dva efekta: radijus jezgra (to je upravo efekat koji nam je potreban) i dvofotonska razmjena između elektrona i jezgra (za običan vodonik međutim, veoma je mali).

Drugo, moguće je mjeriti prelaze između vrlo različitih nivoa, kao što su 1S i 2S. Međutim, ovdje postoji nijansa: da biste odavde izračunali radijus jezgra, morate znati Rydbergovu konstantu - osnovnu veličinu u čijim se jedinicama izračunavaju energije vezivanja. Ali sama Rydbergova konstanta je izvedena iz takvih spektroskopskih mjerenja. Stoga je potrebno izdvojiti i njega i polumjer jezgre dva para nivoa.

Na sl. Slika 6 prikazuje polumjer naboja protona dobiven brojnim spektroskopskim mjerenjima. Prve tri tačke su mjerenja kroz Lambov pomak, ostale su mjerenja kroz dva para nivoa. Svako pojedinačno mjerenje nije baš impresivno, ali kombinovanje rezultata nam omogućava da postignemo grešku manju od procenta (široka plava traka na grafikonu).

Na sl. 7 ovaj zbirni spektroskopski rezultat prikazan je jednom tačkom, a dodatno su data dva rezultata iz eksperimenata rasejanja elektron-protona. Napomena: svi elektronski rezultati dobijeni različitim metodama odlično se slažu jedni s drugima. Kombinovani rezultat za sva elektronska mjerenja prikazan je crnom bojom. Kada je CODATA komitet ažurirao svoje preporuke o fizičkim veličinama 2010. godine, došao je do ove vrijednosti za radijus naboja protona:

r p(CODATA 2010) = 0,8775 ± 0,0051 fm (femtometri; 1 fm = 10 −15 m).

Spektroskopija mionskog vodonika

Kao i svaka fundamentalna veličina, radijus naelektrisanja protona treba da se meri sa najboljom mogućom tačnošću. Tada su iz spektroskopskih mjerenja istisnuli sve što su mogli: iako su ultra precizna, utjecaj protonskog radijusa na nivoe energije je vrlo slab. Međutim, dugo je postojala ideja da se isto učini za mionski vodonik μp- egzotični atom u kojem oko protona ne rotira elektron, već mion (slika 2). Mioni su teški rođaci elektrona; oni učestvuju u istim interakcijama, ali su samo 200 puta teži od elektrona. Zbog tako velike mase, veličina mionskog atoma je 200 puta manja od uobičajene. Ali srž ostaje ista! Stoga se za mion vjerovatnoća da se nalazi unutar jezgra povećava za 200 3, odnosno skoro deset miliona puta u odnosu na elektron. To znači da se osjetljivost na radijus punjenja protona povećava za istu količinu - divan dar za eksperimentatore.

Jedna od poteškoća s mionima je ta što su nestabilni. Oni se, međutim, nevoljno raspadaju, a njihov životni vijek, 2,2 mikrosekunde, je vječnost na skali mikrosvijeta. Za to vrijeme mioni se mogu proizvesti u akceleratoru, usporiti i poslati kroz vakuumsku cijev u radnu komoru s plinovitom vodonikom. Mioni se tu zaustavljaju, drže se za neko jezgro vodika i odvajaju se od molekule u obliku atoma μp. Ovaj atom počinje jako uzbuđen, ali mion brzo emituje fotone i obično pada u osnovno stanje 1S. Međutim, u oko 1% slučajeva završi na dugovječnom 2S nivou, što je sasvim prikladno za spektroskopska mjerenja. Najvažnije je da se cijela ova kaskada procesa odvija za manje od 1 mikrosekunde, tako da je većina miona savršeno prođe do kraja bez raspadanja.

Sve ovo zvuči jednostavno na riječima, ali zahtijeva izuzetnu eksperimentalnu vještinu u stvarnosti. Tehničko dostignuće grupe sa Instituta Paul Scherrer bilo je upravo to što su sastavili novu liniju za isporuku i hlađenje miona, koja im je davala nekoliko stotina atoma miona u sekundi, što je za red veličine više od rezultata prethodnih instalacija.

Zatim, Lambov pomak između 2S i 2P stanja se mjeri pomoću standardne rezonantne metode (za detalje pogledajte gore spomenute vijesti). Na sl. Slika 8 prikazuje strukturu ovih nivoa u mionskom vodoniku. Imajte na umu da su svi ofseti ovdje prilično pristojni. Isti Lambov pomak ovdje je 50 hiljada puta jači nego u običnom vodoniku, a željeni efekat konačne veličine jezgra dostiže skoro 4 meV. Upravo zbog toga se povećava tačnost mjerenja: žrtvovanjem statistike događaja drastično smo poboljšali tačnost mjerenja rezonantne linije.

Tehnički, mjerenja se izvode na sljedeći način. Radna komora s vodonikom u koju je mion uletio osvijetljena je kratkim laserskim bljeskom na frekvenciji podešenoj na razliku između 2S i 2P nivoa (tačnije, određenih podnivoa hiperfinog cijepanja). Imajte na umu: ovo je jednokratni eksperiment. Svaki dolazni mion signalizira sistemu o svom dolasku, a nakon 0,9 μs instalacija ispaljuje laserski blic. U velikoj većini slučajeva to ne vodi ničemu. Ali ako se mion zadrži u stanju 2S, tada se baca u 2P, odakle odmah pada u osnovno stanje 1S emisijom rendgenskog fotona s energijom od 1,9 keV. To je ono što detektori registruju. Za nekoliko sati prikuplja se statistika od nekoliko desetina fotona, zatim se frekvencija lasera lagano pomjera i eksperiment se ponavlja. Krajnji rezultat ovog mjerenja je lijepo nacrtana rezonantna linija prijelaza 2S u 2P (slika 9). Položaj maksimuma daje razliku u nivoima i stoga nam omogućava da izračunamo radijus protona.

Ovi rezultati su objavljeni 2010. godine i započeli su misteriju radijusa protona. Kao što se može videti sa sl. 9, rezonantna linija uopće nije bila tamo gdje se očekivalo da će se vidjeti na osnovu protonskog radijusa koji je općenito prihvaćen u to vrijeme. Eksperimentatori su 2013. izmjerili učestalost ne jednog, već tri različita prijelaza između različitih podnivoa hiperfinog cijepanja i nedvosmisleno razdvojili Lambov pomak i hiperfino cijepanje direktno. Novo mjerenje se pokazalo zaista vrlo preciznim, s relativnom greškom od 0,05%:

r p(exp. 2013) = 0,84087 ± 0,00039 fm.

Situacija je zapravo još ozbiljnija. Neslaganje u radijusu protona povlači uporedivo odstupanje u izmjerenoj vrijednosti Rydbergove konstante jer se one izdvajaju jedna iz druge iz spektroskopskih podataka. Mnogi spektroskopski rezultati su zasnovani na vrlo preciznom poznavanju Rydbergove konstante - i ona će ih ponovo proganjati ako ova konstanta "pluta".

Spektroskopija mionskog deuterija

CREMA kolaboracija je, provodeći eksperimente sa mionskim vodonikom, istovremeno prikupljala podatke o teškom mionskom vodoniku - deuteriju. Jezgro deuterijuma, deuteron, je vezani sistem protona i neutrona. Privlačnost deuterona je u tome što je ovaj sistem prilično slabo vezan i stoga prilično velik. Radijus punjenja deuterona r d prelazi 2,1 fm - i to uprkos činjenici da je dodani neutron zapravo električno neutralan. A budući da je pomak atomskih nivoa proporcionalan kvadratu radijusa naboja, možemo se nadati dobrom mjerenju r dčak i sa malom statistikom.

Ova analiza je nedavno završena, a rezultati su objavljeni u posljednjem broju časopisa Nauka. Zbog spina deuterona, hiperfino cijepanje u deuterijumu je nešto bogatije nego u običnom deuterijumu. Istraživači su izmjerili tri prelazne linije i, na osnovu teorijskih formula, dobili rezultat:

r d(exp. 2016) = 2,12562 ± 0,00072 fm.

r d(CODATA 2010) = 2,1424 ± 0,0021 fm.

Poređenje novog rezultata sa svim ostalim prikazano je na Sl. 10. Prvo, kao i kod protona, i ovdje možemo vidjeti veliku razliku između novog rezultata i preporučene vrijednosti CODATA-2010 - za 7,5σ. Ažurirana preporuka CODATA-2014 je neznatno promijenjena, a kod nje je neusklađenost “samo” 6σ.

Ali budite oprezni: ovo neslaganje se još ne može tumačiti kao novo zagonetka. CODATA vrijednost za r d nije nezavisna, već u potpunosti zasnovana na radijusu protona r p. Stoga je, pored vlastitog eksperimenta, CREMA kolaboracija izvršila zasebnu spektroskopsku analizu nivoa u običnom deuterijumu i iz toga izvela njegovo značenje. r d(plava tačka na slici 10), vidi julski preprint radijus naboja deuterona iz podataka spektroskopije u atomskom deuterijumu. Više-manje je konzistentan sa CODATA-om, ali ni na koji način ne zavisi od radijusa protona r p. Stoga, čak i ako odbacimo preporuke CODATA, još uvijek postoji neslaganje između dvije spektroskopske metode: za obični deuteron i za mionsku. Dostiže 3,5σ i pruža daljnju nezavisnu potvrdu da postoji ozbiljan sukob između mjerenja miona i elektrona. Nažalost, podaci o rasipanju elektrona deuteronima su još uvijek previše nesigurni i ne mogu dati prednost nijednoj od metoda.

Sljedeća tačka. Pošto sada postoje dva spektroskopska mjerenja za različite mionske atome, postaje moguće međusobno ih uporediti. To se može učiniti jer je razlika između polumjera naboja deuterona i protona dobro poznata iz razlike 1S–2S u običnom vodiku i deuterijumu. Ako uzmemo rezultat r p iz mionskog vodonika i izračunajte r d, tada ćete dobiti narandžastu tačku na sl. 10. Razlikuje se od crvene za 2,6σ. Da li to znači da postoji neusklađenost između dva mjerenja miona? Nije potrebno. Poenta je da jednom prihvatimo realnost neslaganja r p između μp I ep-sistema, onda ova neslaganja ne mora ostati ista za deuterijum. Štaviše, postoje modeli Nove fizike koji precizno navode da će u deuteriju diskrepancija biti veća za 20 posto (ovo je omjer kocki smanjenih masa u μd I μp-sistemi). Pa ko zna, možda će se razlika između crvenih i narandžastih tačaka pokazati kao pravi fizički efekat Nove fizike.

Ko je kriv i šta da se radi?

Od svog nastanka, misterija radijusa protona smatrana je jednim od glavnih kamena spoticanja u atomskoj fizici. Novi eksperimentalni rezultati švicarske grupe čine problem još hitnijim. Već postoje stotine pokušaja da se to odgonetne, ali do sada nema nijednog opšteprihvaćenog rješenja.

Najkonzervativnije objašnjenje je da je u teorijskim formulama za Lambov pomak mionskog atoma neki doprinos pogrešno izbrojan ili potpuno promašen, što pomjera nivoe energije za količinu diskrepancije (u smislu energije, to je 0,32 meV). Otkako se zagonetka pojavila, stotine fizičara su u više navrata rastavljale ove formule na njihove sastavne dijelove, tražeći slabe točke i neuračunate greške u njima, ali nisu pronašli nikakve rupe. Vrijedan pažnje je, na primjer, članak Teorija 2S-2P Lambovog pomaka i 2S hiperfino cijepanje u mionskom vodoniku, u kojem su različiti doprinosi Lambovom pomaku za mionski vodonik prema proračunima različitih autora prikupljeni u nekoliko tabela. Možda je najkontroverzniji doprinos dvofotona, jer ne zavisi samo od elektromagnetne interakcije, već i od strukture protona i njegovih pobuđenih stanja. Za mionski atom ovaj doprinos je mnogo veći nego za običan atom, a njegovi proračuni unose najveće nesigurnosti u teoretski rezultat za Lambov pomak u μp-atom. Ali to je otprilike 10 puta manje od otkrivenog odstupanja, tako da ne može sam spasiti situaciju.

Postoji i sumnja da radijus protona nije sasvim ispravno izvučen iz podataka o rasejanju elektrona, koristeći previše pojednostavljene formule. Barem u radu Konzistentnost podataka o rasejanju elektrona sa malim radijusom protona, objavljenom pre dva meseca, navodi se da rigoroznija ekstrapolacija podataka u oblast malih uglova raspršenja daje novi rezultat za radijus protona, u skladu sa merenjima miona. . Sličan zaključak donesen je prije četiri godine na osnovu drugačije teorijske metode u publikaciji Veličina protona - približavanje slagalici radijusa. Međutim, raspršivanje je raspršivanje, ali glavni problem je nastao iz spektroskopskih podataka.

Konačno, ostaje primamljiva mogućnost da je otkrivena neusklađenost stvarna i da nastaje zbog utjecaja nekih potpuno novih čestica ili interakcija. Njima nije mjesto u Standardnom modelu, oni narušavaju univerzalnost interakcije između jezgra i leptona (elektrona i miona), a to znači da bi to mogao biti pokazatelj dugo očekivane Nove fizike. Osim toga, postoje još dvije misterije u fizici čestica, ne tako glasne, ali koje također tjeraju fizičare da vjeruju da "nije sve čisto" s mionima. Radi se o neskladu između teorijske i eksperimentalne vrijednosti anomalnog magnetskog momenta miona, koji se dugo održava na nivou od nešto više od 3σ, i sumnjivih primjera narušavanja univerzalnosti leptona, nedavno otkrivenih na Velikom hadronskom sudaraču. Nejasno je u kojoj mjeri je sve to povezano jedno s drugim. Ali barem postoje teorijski modeli koji, uvođenjem novih čestica, uspijevaju da objasne i anomalni magnetni moment miona i misteriju radijusa protona.

Ovdje je zanimljivo primijetiti da je fizika elementarnih čestica – koju upravo zanimaju najfundamentalnija svojstva mikrokosmosa – ovom zagonetkom dotaknula tek usput i nije izazvala značajnije potrese (još?). Očigledno, većina fizičara koji tragaju za efektima izvan Standardnog modela i grade teorije Nove fizike uvjereni su da će rješenje biti „svjetovno“, u obliku nekog neobračunatog efekta u eksperimentu ili loše izračunatog koeficijenta za povezivanje radijusa sa nivoi energije.

U zaključku ćemo ukratko izložiti planove za budućnost, koji za ovako goruću misteriju moraju biti raznoliki.

Ista švicarska CREMA kolaboracija nedavno (2013-2014) izvršila je ista mjerenja Lambovog pomaka u mionskim atomima, ali za helijum-3 i helijum-4. Rezultati još nisu objavljeni, jer su teorijske formule, a posebno dvofotonski doprinos, još manje poznati.

Tamo, na Institutu Paul Scherrer, planira se i još jedan eksperiment - o elastičnom raspršenju miona i elektrona na protone. Pretpostavlja se da će unutar iste instalacije biti moguće pucati na istu metu sa mionima i elektronima, i pozitivno i negativno nabijenim. Razlika između dva naboja će nam omogućiti da izolujemo doprinos nesretne dvofotonske razmene. Ovaj MUSE eksperiment je još uvijek u fazi tehničkog dizajna.

2014. godine u Mainzu (Njemačka) na MAMI akceleratoru izveden je novi eksperiment raspršenja elektrona na deuteronima. Ovaj eksperiment ima za cilj da smanji greške zelene tačke na Sl. 10. Konačni rezultati mjerenja još nisu predstavljeni.

Planirano je i niz novih spektroskopskih mjerenja u običnom vodoniku koristeći druge parove nivoa, kao i alternativni eksperimenti za mjerenje Rydbergove konstante. Takođe, u Američkoj nacionalnoj laboratoriji. Jefferson (Jefferson Lab) ima planove za proučavanje vrlo egzotičnog atoma - takozvanog "pravog mionijuma", vezanog stanja miona i antimuona (naziva se istinitim jer je termin "muonij", nažalost, već pripisan na drugi sistem). Konkretni datumi još nisu objavljeni.

I konačno, vrlo daleka perspektiva je da se radijus protona izvede čisto teoretski, iz prvih principa. Ovo se može uraditi samo numerički, u okviru rešetkaste kvantne hromodinamike (Lattice QCD), korišćenjem proračuna koji zahtevaju velike resurse. U bliskoj budućnosti, tačnost od jedan posto još nije dostižna; ovdje je riječ o greškama od desetine posto. Ali sama činjenica da ćemo prije ili kasnije naučiti to izračunati djelomično je ohrabrujuća. Volio bih, međutim, da se ta misterija do tada riješi.