VILLIGEN, Switzerland, July 12, 2010 - Эксперимент, сделанный учеными швейцарского Paul Scherrer Institute, показал, что радиус протона - кирпичика атомного ядра - на 4 процента меньше, чем мы думали. В чем причина появившегося несоответствия?
В настоящее время радиус протона, полученный благодаря спектроскопическим исследованиям атома водорода, известен с точностью до 1%. Рандольф Поль (Randolf Pohl) и международная группа ученых-исследователей из Paul Scherrer Institute (PSI) в Виллиген (Villigen), Швейцария, в результате эксперимента определили другое значение. Для этого был проделан достаточно трудный эксперимент. Изучался атом водорода. В котором электрон "заменили" мюоном. Мюон относится к лептонам, как и электрон. Единственное различие заключается в массе. Масса мюона в 206 раз больше массы электрона. Лептоны не взаимодействуют сильно с ядрами атомов, к ядерному взаимодействию отношения сильного не имеют, и между собой сильно они тоже не взаимодействуют (под сильным понимают мощный вид взаимодействия, дающий атомную энергию). Все свойства мюона ничем не отличаются от свойств электрона. Только один тяжелее другого. Но "заменяя" электрон мюоном и наблюдая атомный спектр, определяем значение радиуса ядра атома водорода - протона - оно отличается от полученного ранее значения в большую сторону. Ученые считают, что причиной могли послужить ошибки в измерениях и вычислениях, проводимых по ходу эксперимента. В настоящее время идет проверка всех полученных данных. Самая же невероятная версия - виновна сама квантовая электродинамика, ее законы как таковые.
Путь, который "проходит" мюон над протоном, в 200 раз короче, чем путь электрона. Протон оказывает более сильное влияние на мюон. В лаборатории PSI имеется единственный в мире источник мюонов, позволяющий выполнять такие эксперименты по замещению электрона мюоном в атоме водорода. При помощи специального лазера ученые исследуют некоторые характеристики мюона, что дает им возможность определить и радиус протона. "Изначально мы намеревались получить более точное значение радиуса протона, однако наш результат сильно отличается от привычного. Для погрешности разница слишком велика", - говорит Франц Коттманн. Для радиуса протона было получено новое значение 0.84184 fm (1 fm = 10-15 m), тогда как общепринятым считается 0.8768 fm. В дальнейшем планируется осуществить эксперимент для атома гелия, с той же целью. Обработка результатов измерений, как говорят экспериментаторы, заняла несколько дней. Исследователи добавляют: "Все оборудование для эксперимента пришлось сделать с нуля. Это заняло около 10 лет, хотя идея самого эксперимента уже витала в стенах PSI почти треть века тому назад. Единственное, что нас сдерживало в то время - это отсутствие технического обеспечения, чтобы осуществить эксперимент".
Вкратце цель и суть эксперимента можно описать так: необходимо измерить Лэмбовский сдвиг в мюонном водороде равный ΔE(2P - 2S) и отсюда найти радиус протона. Энергетический сдвиг (я так понимаю, он получен теоретически, может быть с использованием численных методов - прим. ред.) равен ΔE (2P-2S) = 209.98 - 5.23 rp2 [meV], rp измеряется fm. При помощи коротких лазерных импульсов ИК диапазона мюонный водород переводится из 2S в 2P энергетическое состояние, разница между ними приблизительно соответствует длине волны лазерного излучения (около мкм). Измеряется количество переходов мюонного водорода в нижнее, 1S состояние, т.е. 2P-1S переходы. Из циклотронной ловушки мюоны поступают в соленоид с магнитным полем в 5 Тл (его называют мюонный канал вывода), он служит для селекции мюонов по энергии. Низкоэнергетичные мюоны сильнее закручиваются магнитным полем и выходят из соленоида под определенным углом. Детектирование общего числа мюонов, поступающих из циклотрона, и мюонов, отклоненных магнитным полем, производится при помощи сцинтилляционного счетчика электронов, которые появляются в результате бомбардировки проходящим в соленоидах мюонным пучком тонкой (около 20 нм) углеродной фольги. Мюоны с энергией 3-6 кэВ залетают в газовую ячейку с атомами водорода и выбивают электроны (ничего более точного на сайте авторов эксперимента не сказано - прим.ред.). 99% мюонного водорода обладает большой энергией в первый момент времени после того, как был выбит электрон. Высокоэнергетичный мюонный водород испытывает релаксацию за время не более 100 нс, при этом излучая рентгеновские волны с энергией 2 кэВ. Это излучение называют "мгновенным". Оставшийся 1% атомов мюонного водорода (они находятся в метастабильном 2S состоянии, время жизни 1 мкс при давлении 1 мбар) возбуждается лазером на длине волны 6 мкм, атомы переходят в 2P состояние (см. рисунок 4), затем происходит релаксация атомов в состояние 1S с излучением рентгеновских лучей, энергия которых 1.9 кэВ. Это рентгеновское излучение приходит "с задержкой", что связано в первую очередь с необходимостью возбудить атомы мюонного водорода, а также наличием времени релаксации на основной уровень. Таким образом его можно отличить от "мгновенного" рентгеновского излучения. Это излучение рентгеновского диапазона - результат возбуждения атома лазером, конструкцию лазера см. на рисунке 6. Фотография экспериментальной установки показана на рисунке 5. Измеряя долю "задержанного" рентгеновского излучения в общем потоке ЭМВ этого диапазона в зависимости от частоты лазера, можно найти резонансную частоту, соответствующую переходу 2P-2S, а значит, и радиус протона.
Данный проект - результат совместной работы ученых из разных европейских стран, специалистов в области физики ускорителей, атомной физики, лазерной техники. Наиболее существенный вклад внесли:
•Paul Scherrer Institute, Villigen, Switzerland •Institute for Particle Physics, Swiss Federal Institute of Technology (ETH) Zurich •Max-Planck Institute of Quantum Optics, Garching, Germany •Laboratoire Kastler Brossel, Paris •Department of Physics, University of Coimbra, Portugal •Institute für Strahlwerkzeuge, University of Stuttgart, Germany •Dausinger & Giesen GmbH, Stuttgart, Germany •Department of Physics, University of Fribourg, Switzerland
Для получения детальной информации смотрите: muhy.web.psi.ch/wiki
