Фотография установки

ФИАН Информ / Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Физики из Института квантовой оптики общества Макса Планка, Российского квантового центра и Физического института академии наук им. Лебедева поставили новый эксперимент по измерению зарядового радиуса протона. Полученная величина оказалась несколько меньше общепринятой, она в пределах погрешности совпадает с ранними экспериментами с мюонным водородом. Исследование может дать ответ на нерешенную проблему «загадки радиуса протона»: в различных измерениях протон словно бы меняет свои размеры, чего не предсказывает ни одна современная теория. По словам исследователей, источником эффекта может быть квантовая интерференция, которая искажала результаты ранних измерений. Работа опубликована в журнале Science , кратко о ней сообщает ФИАН-информ.

Сравнение протонного радиуса, полученного в работе группы Колачевского 2017 года (зеленый ромб) и в ранних работах (треугольник и шестиугольник). Фиолетовым показаны результаты спектроскопии мюонного водорода.

Согласно данным CODATA, международной комиссии, отслеживающей, анализирующей и публикующей новые результаты измерений фундаментальных констант, зарядовый радиус протона составляет 0,8751(61) фемтометра. Эта величина показывает то, как пучок отрицательно заряженных частиц рассеивается на протоне - чем больше зарядовый радиус, тем большая доля частиц будет рассеиваться. Один из методов его измерения - сверхточная спектроскопия электронных переходов в атоме водорода. Отличный от нуля размер протона влияет на энергию электронов, находящихся рядом с ним, и смещает их энергию на небольшую измеримую величину, которую можно описать в рамках квантовой электродинамики.

В 2010 году международная группа физиков опубликовала результаты экспериментов с экзотической частицей - мюонным водородом. Она отличается от обычного водорода тем, что электроны в ней заменены на более тяжелые лептоны - мюоны (в 207 раз тяжелее). Эксперимент должен был уточнить зарядовый радиус протона - мюон летает гораздо ближе к ядру, чем электрон, и лучше «чувствует» размеры частицы. Однако новые точные данные оказались на четыре процента меньше, чем принятые на тот момент - 0.8418 фемтометра. Эта разница в несколько раз превышает погрешность эксперимента, а значит речь шла о каком-то принципиально новом эффекте. Протон словно бы сжимался рядом с мюоном. Со временем и уточнением данных значимость разницы между радиусами протона только росла, ставя под вопрос абсолютную точность квантовой электродинамики. До сих пор однозначного решения загадки представлено не было. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале « »

В новой работе немецкие ученые по предложению директора ФИАН Николая Колачевского усовершенствовали традиционный спектральный эксперимент, устранив ряд источников погрешности. Его суть заключается в точном измерении энергии электронного перехода в атоме водорода между двумя уровнями.

Схема эксперимента

Axel Beyer et al. / Science, 2017

Как правило, основными источниками погрешности в экспериментах с возбужденными атомами являются допплеровские сдвиги (из-за большой скорости горячих атомов - порядка трех километров в секунду), эффект Старка (сдвиг и расщепление линий в электрическом поле) и влияние сверхтонкой структуры. Авторы новой работы снизили температуру атомов до криогенной и уменьшили скорости примерно на порядок. В дополнение к этому, ученые научились бороться с квантовой интерференцией.

Квантовая интерференция - хорошо известное в ядерной оптике явление. Оно возникает, когда есть два энергетических перехода с близкими по значению энергиями. Эти переходы могут влиять друг на друга, аналогично тому, как два когерентных луча света могут формировать интерференционную картину складываясь друг с другом. В атомной спектроскопии интерференция возникает из-за расщепления энергетических уровней. Ранее считалось, что это явление дает очень слабый вклад в сдвиг спектральных линий, из-за чего физики практически не учитывали его.

В новой работе эксперимент был построен следующим образом. На первом этапе в установку попадал пучок холодных атомов водорода. Он был возбужден из основного в одно из двух сверхтонких 2S-состояний с помощью двухфотонного поглощения. Затем атомы дополнительно возбуждались в следующее состояние (4P) с помощью синего лазера. Интерферирующие переходы в сверхтонкой структуре этого энергетического уровня расположены довольно далеко друг от друга (это расстояние в сто раз больше ширины линий), но все равно дают большой вклад в положение пика перехода 2S-4P. Он оказался соизмерим с расхождением между частотами переходов в обычном и мюонном водороде.

После тщательной обработки результатов эксперимента, продлившегося около года, физики оценили зарядовый радиус протона - он оказался равен 0.8335(91) фемтометра, что в рамках погрешности совпадает с результатами для мюонного водорода и на три стандартных отклонения меньше, чем у традиционных экспериментов. Как отмечают авторы, говорить о решении проблемы радиуса протона еще рано - новый результат получен лишь на одном измерении (хотя его точность и превосходит объединенную точность других измерений). Необходимо выяснить причину, из-за которой ранние результаты оказываются систематически сдвинуты. Кроме того, новый радиус расходится не только со спектроскопическими экспериментами, но и с данными по рассеянию электронов на протоне.

Чтобы окончательно раскрыть загадку зарядового радиуса протона, потребуются дополнительные эксперименты - в том числе и с более тяжелыми ядрами. К примеру, недавно мы о спектроскопии мюонного дейтерия, которая также подтвердила расхождение в радиусах дейтрона.

Владимир Королёв

Протон (элементарная частица)

Полевая теория элементарных частиц, действуя в рамках НАУКИ, опирается на проверенный ФИЗИКОЙ фундамент:

• Классическую электродинамику,
• Квантовую механику (без виртуальных частиц, противоречащих закону сохранения энергии),
• Законы сохранения - фундаментальные законы физики.

Использовать не существующие в природе элементарные частицы, выдумывать не существующие в природе фундаментальные взаимодействия, или подменять существующие в природе взаимодействия сказочными, игнорировать законы природы, занимаясь математическими манипуляциями над ними (создавая видимость науки) - это удел СКАЗОК, выдаваемых за науку. В итоге физика скатывалась в мир математических сказок. Сказочные персонажи Стандартной модели (кварки с глюонами) вместе со сказочными гравитонами и сказками "Квантовой теории" уже проникли в учебники физики - и вводят в заблуждение детей, выдавая математические сказки за действительность . Сторонники честной Новой физики пытались этому противостоять, но силы были не равны. И так было до 2010 года до появления полевой теории элементарных частиц, когда борьба за возрождение ФИЗИКИ-НАУКИ перешла на уровень открытого противостояния подлинной научной теории с математическими сказками, захватившими власть в физике микромира (да и не только).

Но о достижениях Новой физики человечество бы не узнало, без интернета, поисковиков и возможности свободно говорить правду на страницах сайта. Что касается изданий, зарабатывающих на науке, то кто их сегодня читает за деньги, когда есть возможность быстро и свободно получить требуемую информацию в интернете.

1 Протон - это элементарная частица
2 Когда физика оставалась наукой
3 Протон в физике
4 Радиус протона
5 Магнитный момент протона
6 Электрическое поле протона

6.1 Электрическое поле протона в дальней зоне
6.2 Электрические заряды протона
6.3 Электрическое поле протона в ближней зоне

7 Масса покоя протона
8 Время жизни протона
9 Правда о Стандартной модели
10 Новая физика: Протон - итог

Эрнест Резерфорд в 1919 году, облучая альфа-частицами ядра азота, наблюдал образование ядер водорода. Образующуюся в результате столкновения частицу Резерфорд назвал протоном. Первые фотографии следов протона в камере Вильсона были получены в 1925 году Патриком Блэкеттом. Но сами ионы водорода (чем и являются протоны) были известны задолго до опытов Резерфорда.
Сегодня, в 21 веке, физика может сказать о протонах значительно больше.

1 Протон это элементарная частица

Представления физики о структуре протона менялись, по мере развития физики.

Первоначально физика считала протон элементарной частицей, и так было до 1964 года, когда ГеллМанн и Цвейг независимо предложили гипотезу кварков.

Первоначально, кварковая модель адронов ограничивалась только тремя гипотетическими кварками и их античастицами. Это позволяло правильно описать спектр известных на тот момент элементарных частиц, без учета лептонов, которые не вписались в предлагаемую модель и потому признавались элементарными, наравне с кварками. Платой за это явилось введение, не существующих в природе, дробных электрических зарядов. Затем, по мере развития физики и поступления новых экспериментальных данных, кварковая модель постепенно разрасталась, трансформировалась, в итоге превратившись в Стандартную модель.

Физики усердно занялись поисками новых гипотетических частиц. Поиски кварков велись в космических лучах, в природе (поскольку их дробный электрический заряд невозможно скомпенсировать) и на ускорителях.
Шли десятилетия, росла мощность ускорителей, а результат поисков гипотетических кварков был всегда один: кварки НЕ найдены в природе .

Видя перспективу гибели кварковой (а затем Стандартной) модели, ее сторонники сочинили и подсунули человечеству сказочку о том, что в некоторых экспериментах наблюдаются следы кварков. - Проверить эту информацию невозможно - экспериментальные данные обрабатываются с помощью Стандартной модели, а она всегда выдаст нечто за то, что ей нужно. История физики знает примеры, когда вместо одной частицы подсовывали другую - последней такой манипуляцией экспериментальными данными явилось подсовывание векторного мезона в качестве сказочного бозона Хиггса, якобы отвечающего за массу частиц, но при этом не создающую их гравитационное поле. За эту математическую сказку даже дали Нобелевскую премию по физике. В нашем случае в качестве сказочных кварков подсунули стоячие волны переменного электромагнитного поля, о котором писали волновые теории элементарных частиц.

Когда трон под стандартной моделью вновь зашатался, ее сторонники сочинили и подсунули человечеству новую сказочку для самых маленьких, под названием "Конфайнмент" . Любой мыслящий человек сразу увидит в ней издевательство над законом сохранения энергии - фундаментальным законом природы. Но сторонники Стандартной модели не желают видеть ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ.

2 Когда физика оставалась наукой

Когда физика еще оставалась наукой в ней истина определялась не мнением большинства - а экспериментом. В этом принципиальное отличие ФИЗИКИ-НАУКИ от математических сказок, выдаваемых за физику.

Все эксперименты по поиску гипотетических кварков (кроме, конечно, подсовывания своих верований, под видом экспериментальных данных) однозначно показали: кварков в природе НЕТ .

Теперь сторонники Стандартной модели пытаются подменить результат всех экспериментов, ставший приговором для Стандартной модели, своим коллективным мнением, выдавая его за действительность. Но сколько сказочке не виться, а конец все равно будет. Вопрос только, какой это будет конец: сторонники Стандартной модели проявят разум, мужество и изменят свои позиции вслед за единогласным вердиктом экспериментов (а точнее: вердиктом ПРИРОДЫ), или их отправит в историю под всеобщий смех Новая физика - физика 21 века , как сказочников, попытавшихся надуть все человечество. Выбор за ними.

Теперь о самом протоне.

3 Протон в физике

Протон - элементарная частица квантовое число L=3/2 (спин = 1/2) - группа барионов, подгруппа протона, электрический заряд +e (систематизация по полевой теории элементарных частиц).
Согласно полевой теории элементарных частиц (теории - построенной на научном фундаменте и единственной получившей правильный спектр всех элементарных частиц), протон состоит из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей. Все голословные утверждения Стандартной модели о том, что протон якобы состоит из кварков, не имеют ничего общего с действительностью . - Физика экспериментально доказала, что протон обладает электромагнитными полями, и еще гравитационным полем. О том, что элементарные частицы не просто обладают - а состоят из электромагнитных полей, физика гениально догадалась еще 100 лет назад, но вот построить теорию никак не удавалось до 2010 года. Теперь в 2015 году появилась еще и теория гравитации элементарных частиц, установившая электромагнитную природу гравитации и получившая уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отличные от уравнений гравитации, на основании которых была построена не одна математическая сказка в физике.

В настоящий момент, полевая теория элементарных частиц (в отличие от Стандартной модели) не противоречит экспериментальным данным о строении и спектре элементарных частиц и поэтому может рассматриваться физикой в качестве работающей в природе теории.

Структура электромагнитного поля протона (E-постоянное электрическое поле,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле)

Энергетический баланс (процент от всей внутренней энергии):

• постоянное электрическое поле (E) - 0,346%,
• постоянное магнитное поле (H) - 7,44%,
• переменное электромагнитное поле - 92,21%.

Отсюда следует, что для протона m 0~ =0.9221m 0 и около 8 процентов его массы сосредоточено в постоянных электрическом и магнитном полях. Соотношение между энергией сосредоточенной в постоянном магнитном поле протона и энергии сосредоточенной в постоянном электрическом поле равно 21,48. Этим объясняется наличие у протона ядерных сил .

Электрическое поле протона состоит из двух областей: внешней области с положительным зарядом и внутренней области с отрицательным зарядом. Разность зарядов внешней и внутренней областей определяет суммарный электрический заряд протона +e. В основе его квантования лежат геометрия и строение элементарных частиц.

А так выглядят фундаментальные взаимодействия элементарных частиц, действительно существующие в природе:

4 Радиус протона

Полевая теория элементарных частиц определяет радиус (r) частицы как расстояние от центра до точки в которой достигается максимум плотности массы.

Для протона это будет 3,4212 ∙10 -16 м. К этому надо добавить еще толщину слоя электромагнитного поля, получится радиус области пространства, занимаемой протоном:

Для протона это будет 4,5616 ∙10 -16 м. Таким образом, внешняя граница протона находится от центра частицы на расстоянии 4,5616 ∙10 -16 м. Небольшая часть массы, сосредоточенная в постоянном электрическом и постоянном магнитном поле протона, в соответствии с законами электродинамики, находится за пределами данного радиуса.

5 Магнитный момент протона

В противовес квантовой теории, полевая теория элементарных частиц утверждает, что магнитные поля элементарных частиц не создаются спиновым вращением электрических зарядов, а существуют одновременно с постоянным электрическим полем как постоянная составляющая электромагнитного поля. Поэтому постоянные магнитные поля есть у всех элементарных частиц с квантовым числом L>0 .

Полевая теория элементарных частиц не считает магнитный момент протона аномальным - его величина определяется набором квантовых чисел в той степени, в какой квантовая механика работает в элементарной частице.

Так основной магнитный момент протона создается двумя токами:

• (+) с магнитным моментом +2 (eħ/m 0 c)
• (-) с магнитным моментом -0,5 (eħ/m 0 c)

Для получения результирующего магнитного момента протона надо сложить оба момента, умножить на процент энергии, содержащийся в волновом переменном электромагнитном поле протона (разделенный на 100%) и добавить спиновую составляющую (см. Полевая теория элементарных частиц. Часть 2, раздел 3.2), в результате получим 1,3964237 eh/m 0p c. Для того чтобы перевести в обычные ядерные магнетоны надо полученное число умножить на два - в итоге имеем 2,7928474.

Когда физика предполагала, что магнитные моменты элементарных частиц создаются спиновым вращением их электрического заряда, для их измерения были предложены соответствующие единицы: для протона - это eh/2m 0p c (вспомним, что величина спина протона равна 1/2) названная ядерным магнетоном. Теперь 1/2 можно было бы и опустить, как не несущую смысловой нагрузки, и оставить просто eh/m 0p c.

А если серьезно, то внутри элементарных частиц нет электрических токов, но есть магнитные поля (и нет электрических зарядов, но есть электрические поля). Невозможно заменить подлинные магнитные поля элементарных частиц, на магнитные поля токов (как и подлинные электрические поля элементарных частиц, на поля электрических зарядов), без потери точности - эти поля имеют разную природу. Здесь какая-то другая электродинамика - Электродинамика Физики Поля, которую еще предстоит создать, как и саму Физику Поля.

6 Электрическое поле протона

6.1 Электрическое поле протона в дальней зоне

Знания физики об структуре электрического поля протона менялись по мере развития физики. Первоначально считалось, что электрическое поле протона представляет собой поле точечного электрического заряда +e. Для данного поля будут:

потенциал электрического поля протона в точке (А) в дальней зоне (r > > r p) точно, в системе СИ равен:

напряженность E электрического поля протона в дальней зоне (r > > r p) точно, в системе СИ равна:

где n = r /|r| - единичный вектор из центра протона в направлении точки наблюдения (А), r - расстояние от центра протона до точки наблюдения, e - элементарный электрический заряд, жирным шрифтом выделены вектора, ε 0 - электрическая постоянная, r p =Lħ/(m 0~ c) - радиус протона в полевой теории, L - главное квантовое число протона в полевой теории, ħ - постоянная Планка, m 0~ - величина массы заключенной в переменном электромагнитном поле покоящегося протона, C - скорость света. (В системе СГС отсутствует множитель Множитель СИ .)

Данные математические выражения верны для дальней зоны электрического поля протона: r p , но физика тогда предполагала, что их верность распространяется и в ближней зоне, до расстояний порядка 10 -14 см.

6.2 Электрические заряды протона

В первой половине 20 века физика считала, что у протона имеется только один электрический заряд и он равен +e.

После появления гипотезы кварков, физика предположила что внутри протона имеются не один, а три электрических заряда: два электрических заряда +2e/3 и один электрический заряд -e/3. В сумме эти заряды дают +e. Это было сделано, поскольку физика предположила, что протон имеет сложную структуру и состоит из двух u-кварков с зарядом +2e/3 и одного d-кварка с зарядом -e/3. Но кварки не были найдены ни в природе, ни на ускорителях ни при каких энергиях и оставалось либо принять их существование на веру (что и сделали сторонники Стандартной модели), либо искать другую структуру элементарных частиц. Но вместе с этим в физике постоянно накапливалась экспериментальная информация об элементарных частицах и когда ее накопилось достаточно для переосмысления сделанного, на свет появилась полевая теория элементарных частиц.

Согласно полевой теории элементарных частиц, постоянное электрическое поле элементарных частиц с квантовым числом L>0, как заряженных, так и нейтральных, создается постоянной компонентой электромагнитного поля соответствующей элементарной частицы (не электрический заряд является первопричиной электрического поля, как физика считала в 19 веке, а электрические поля элементарных частиц таковы, что они соответствуют полям электрических зарядов). А поле электрического заряда возникает в результате наличия асимметрии между внешней и внутренней полусферами, генерирующими электрические поля противоположных знаков. Для заряженных элементарных частиц в дальней зоне генерируется поле элементарного электрического заряда, а знак электрического заряда определяется знаком электрического поля, генерируемого внешней полусферой. В ближней зоне данное поле обладает сложной структурой и является дипольным, но дипольным моментом оно не обладает. Для приближенного описания данного поля как системы точечных зарядов потребуется не менее 6 "кварков" внутри протона - будет точнее, если взять 8 "кварков". Понятное дело, что электрические заряды таких "кварков" будут совершенно иными, чем считает стандартная модель (со своими кварками).

Полевая теория элементарных частиц установила, что у протона, как и у любой другой положительно заряженной элементарной частицы, можно выделить два электрических заряда и соответственно два электрических радиуса :

• электрический радиус внешнего постоянного электрического поля (заряда q + =+1.25e) - r q+ = 4.39 10 -14 см,
• электрический радиус внутреннего постоянного электрического поля (заряда q - =-0.25e) - r q- = 2.45 10 -14 см.

Данные характеристики электрического поля протона соответствуют распределению 1 полевой теории элементарных частиц. Физика пока экспериментально не установила точность данного распределения и какое распределение наиболее точно соответствует реальной структуре постоянного электрического поля протона в ближней зоне, равно как и саму структуру электрического поля протона в ближней зоне (на расстояниях порядка r p). Как видите, электрические заряды близки по величине к зарядам предполагаемых кварков (+4/3e=+1.333e и -1/3e=-0.333e) в протоне, но в отличие от кварков, электромагнитные поля в природе существуют, и аналогичной структурой постоянного электрического поля обладает любая положительно заряженная элементарная частица, независимо от величины спина и... .

Величины электрических радиусов для каждой элементарной частицы уникальны и определяются главным квантовым числом в полевой теории L, величиной массы покоя, процентом энергии заключенной в переменном электромагнитном поле (где работает квантовая механика) и структурой постоянной составляющей электромагнитного поля элементарной частицы (одинаковой для всех элементарных частиц с заданным главным квантовым числом L), генерирующей внешнее постоянное электрическое поле. Электрический радиус указывает среднее местонахождение равномерно распределенного по окружности электрического заряда, создающего аналогичное электрическое поле. Оба электрических заряда лежат в одной плоскости (плоскости вращения переменного электромагнитного поля элементарной частицы) и имеют общий центр, совпадающий с центром вращения переменного электромагнитного поля элементарной частицы.

6.3 Электрическое поле протона в ближней зоне

Зная величины электрических зарядов внутри элементарной частицы и их местоположение, можно определить и создаваемое ими электрическое поле.

электрического поля протона в ближней зоне (r~r p), в системе СИ, как векторная сумма, приблизительно равна:

где n + = r + /|r + | - единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда протона q + в направлении точки наблюдения (А), n - = r - /|r - | - единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда протона q - в направлении точки наблюдения (А), r - расстояние от центра протона до проекции точки наблюдения на плоскость протона, q + - внешний электрический заряд +1.25e, q - - внутренний электрический заряд -0.25e, жирным шрифтом выделены вектора, ε 0 - электрическая постоянная, z - высота точки наблюдения (А) (расстояние от точки наблюдения до плоскости протона), r 0 - нормировочный параметр. (В системе СГС отсутствует множитель Множитель СИ .)

Данное математическое выражение представляет собой сумму векторов и ее надо вычислять по правилам сложения векторов, поскольку это поле двух распределенных электрических зарядов (+1.25e и -0.25e). Первое и третье слагаемое соответствуют ближним точкам зарядов, второе и четвертое - дальним. Данное математическое выражение не работает во внутренней (кольцевой) области протона, генерирующей его постоянные поля (при одновременном выполнении двух условий: ħ/m 0~ c

Потенциал электрического поля протона в точке (А) в ближней зоне (r~r p), в системе СИ приблизительно равен:

где r 0 - нормировочный параметр, величина которого может отличаться от r 0 в формуле E. (В системе СГС отсутствует множитель Множитель СИ .) Данное математическое выражение не работает во внутренней (кольцевой) области протона, генерирующей его постоянные поля (при одновременном выполнении двух условий: ħ/m 0~ c

Калибровку r 0 для обоих выражений ближней зоны необходимо производить на границе области, генерирующей постоянные поля протона.

7 Масса покоя протона

В соответствии с классической электродинамикой и формулой Эйнштейна, масса покоя элементарных частиц с квантовым числом L>0, в том числе и протона, определяется как эквивалент энергии их электромагнитных полей:

где определенный интеграл берется по всему электромагнитному полю элементарной частицы, E - напряженность электрического поля, H - напряженность магнитного поля. Здесь учитываются все компоненты электромагнитного поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле, переменное электромагнитное поле. Эта маленькая, но очень емкая для физики формула, на основании которой получены уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отправит в утиль не одну сказочную "теорию" - поэтому ее возненавидят некоторые их авторы.

Как следует из приведенной формулы, величина массы покоя протона зависит от условий, в которых протон находится . Так поместив протон в постоянное внешнее электрическое поле (например, атомное ядро), мы повлияем на E 2 , что отразится на массе протона и его стабильности. Аналогичная ситуация возникнет при помещении протона в постоянное магнитное поле. Поэтому некоторые свойства протона внутри атомного ядра, отличаются от тех же свойств свободного протона в вакууме, вдали от полей.

8 Время жизни протона

Установленное физикой время жизни протона соответствует свободному протону.

Полевая теория элементарных частиц утверждает, что время жизни элементарной частицы зависит от условий, в которых она находится . Поместив протон во внешнее поле (например, электрическое) мы изменяем энергию, содержащуюся в его электромагнитном поле. Можно выбрать знак внешнего поля так, чтобы внутренняя энергия протона увеличилась. Можно подобрать такую величину напряженности внешнего поля, что станет возможным распад протона в нейтрон позитрон и электронное нейтрино и следовательно протон станет нестабильным. Именно это наблюдается в атомных ядрах, в них электрическое поле соседних протонов запускает распад протона ядра. При внесении в ядро дополнительной энергии распады протонов могут начаться при меньшей напряженности внешнего поля.

Одна интересная особенность: во время распада протона в атомном ядре, в электромагнитном поле ядра из энергии электромагнитного поля рождается позитрон - из "вещества" (протон) рождается "антивещество" (позитрон)!!! и это никого не удивляет.

9 Правда о Стандартной модели

А теперь познакомимся с информацией, которую сторонники Стандартной модели не допустят к публикации на "полит-корректных" сайтах, (таких как мировая Википедия) на которых противники Новой физики могут безжалостно удалять (или искажать) информацию сторонников Новой физики, в результате чего ПРАВДА пала жертвой политики:

В 1964 году Гелл-манн и Цвейг независимо предложили гипотезу существования кварков, из которых, по их мнению, состоят адроны. Новые частицы были наделены дробным электрическим зарядом, не существующим в природе.

Лептоны в эту Кварковую модель, которая впоследствии переросла в Стандартную модель, НЕ вписались - поэтому были признаны истинно элементарными частицами.
Чтобы объяснить связь кварков в адроне, было предположено существование в природе сильного взаимодействия и его переносчиков - глюонов. Глюоны, как и положено в Квантовой теории, наделили единичным спином, тождественности частицы и античастицы и нулевой величиной массы покоя, как у фотона.

В действительности, в природе существует не сильное взаимодействие гипотетических кварков, а ядерные силы нуклонов - и это разные понятия.

Прошло 50 лет. Кварки так и не были найдены в природе и нам сочинили новую математическую сказочку под названием "Конфайнмент" . Мыслящий человек с легкостью увидит в ней откровенное игнорирование фундаментального закона природы - закона сохранения энергии. Но это сделает мыслящий человек, а сказочники получили устроившее их оправдание.

Глюоны также НЕ были найдены в природе. Дело в том, что единичным спином могут обладать в природе только векторные мезоны (и еще одно из возбужденных состояний мезонов), но у каждого векторного мезона имеется античастица. - Поэтому векторные мезоны на кандидаты в "глюоны" никак не подходят . Остается девятка первых возбужденный состояний мезонов, но 2 из них противоречат самой Стандартной модели и их существование в природе Стандартная модель не признает, а остальные неплохо изучены физикой, и выдать их за сказочные глюоны не получится. Есть еще последний вариант: выдать за глюон связанное состояние из пары лептонов (мюонов или тау-лептонов) - но и это при распаде можно вычислить.

Так что, глюонов в природе также нет, как нет в природе кварков и вымышленного сильного взаимодействия .

Вы считаете, что сторонники Стандартной модели этого не понимают - еще как понимают, вот только тошно признать ошибочность того, чем занимался десятилетиями. А потому мы видим новые математические сказки ("теорию" струн и т.д.).

10 Новая физика: Протон - итог

Я не стал в основной части статьи подробно говорить о сказочных кварках (со сказочными глюонами), поскольку их в природе НЕТ и нечего забивать голову сказками (без необходимости) - а без основополагающих элементов фундамента: кварков с глюонами рухнула стандартная модель - время ее господства в физике ЗАВЕРШИЛОСЬ (см. Стандартная модель).

Можно сколь угодно долго не замечать места электромагнетизма в природе (встречаясь с ним на каждом шагу: свет, тепловое излучение, электричество, телевидение, радио, телефонная связь, в том числе и сотовая, интернет, без которого человечество не узнало бы о существовании Полевой теории элементарных частиц, ...), и продолжать сочинять новые сказочки взамен обанкротившихся, выдавая их за науку; можно с упорством, достойным лучшего применения, продолжать повторять заученные СКАЗКИ Стандартной модели и Квантовой теории; но электромагнитные поля в природе были, есть, будут и прекрасно обходятся без сказочных виртуальных частиц, впрочем как и создаваемая электромагнитными полями гравитация, а вот у сказок есть время рождения и время, когда они перестают влиять на людей. Что касается природы, то ей НЕТ никакого дела до сказок, и любой иной литературной деятельности человека, даже если за них присуждается Нобелевская премия по физике. Природа устроена так, как она устроена, а задача ФИЗИКИ-НАУКИ понять и описать это.

Теперь перед Вами открылся новый мир - мир дипольных полей, о существовании которых физика 20 века и не подозревала . Вы увидели, что у протона имеются не один, а два электрических заряда (внешний и внутренний) и соответствующие им два электрических радиуса. Вы увидели, из чего складывается масса покоя протона и что воображаемый бозон Хиггса оказался не у дел (решения Нобелевского комитета - это еще не законы природы...). Более того, величина массы и время жизни зависят от полей, в которых находится протон. Из того, что свободный протон стабилен, еще не следует, что он будет оставаться стабильным всегда и везде (распады протона наблюдаются в атомных ядрах). Все это выходит за рамки представлений, господствовавших в физике второй половины двадцатого века. - Физика 21 века - Новая физика переходит на новый уровень познания материи , а нас ждут новые интересные открытия.

Владимир Горунович

Данная статья была написана Владимиром Горунович для сайта "Викизнание" еще до того как аналогичная статья на сайте Викизнание подверглась правке, исказившей действительность. Теперь я могу свободно писать правду только на своих сайтах, и еще тех сайтах, которые позволяют это сделать.

1 Протон (элементарная частица)

Протон - элементарная частица квантовое число L=3/2 (спин = 1/2) - группа барионов, подгруппа протона, электрический заряд +e (систематизация по полевой теории элементарных частиц).

Подгруппа протона (основные и возбужденные состояния)

2 Протон в физике

Протон - элементарная частица квантовое число L=3/2 (спин = 1/2) - группа барионов, подгруппа протона, электрический заряд +e (систематизация по полевой теории элементарных частиц).
Согласно полевой теории элементарных частиц (теории - построенной на научном фундаменте и единственной получившей правильный спектр всех элементарных частиц), протон состоит из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей. Все голословные утверждения Стандартной модели о том, что протон якобы состоит из кварков, не имеют ничего общего с действительностью. - Физика экспериментально доказала, что протон обладает электромагнитными полями, и еще гравитационным полем. О том, что элементарные частицы не просто обладают - а состоят из электромагнитных полей, физика гениально догадалась еще 100 лет назад, но вот построить теорию никак не удавалось до 2010 года. Теперь в 2015 году появилась еще и теория гравитации элементарных частиц, установившая электромагнитную природу гравитации и получившая уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отличные от уравнений гравитации, на основании которых была построена не одна математическая сказка в физике.

Структура электромагнитного поля протона (E-постоянное электрическое поле,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле)

Энергетический баланс (процент от всей внутренней энергии):

• постоянное электрическое поле (E) - 0,346%,
• постоянное магнитное поле (H) - 7,44%,
• переменное электромагнитное поле - 92,21%.

Соотношение между энергией сосредоточенной в постоянном магнитном поле протона и энергии сосредоточенной в постоянном электрическом поле равно 21,48. Этим объясняется наличие у протона ядерных сил. Структура протона приведена на рисунке.

Электрическое поле протона состоит из двух областей: внешней области с положительным зарядом и внутренней области с отрицательным зарядом. Разность зарядов внешней и внутренней областей определяет суммарный электрический заряд протона +e. В основе его квантования лежат геометрия и строение элементарных частиц.

А так выглядят фундаментальные взаимодействия элементарных частиц, действительно существующие в природе:

2.1 Радиус протона

Полевая теория элементарных частиц определяет радиус (r) частицы как расстояние от центра до точки в которой достигается максимум плотности массы.

Для протона это будет 3,4212 10 -16 м. К этому необходимо добавить еще толщину слоя электромагнитного поля, в результате получится:

что равно 4,5616 10 -16 м. Таким образом, внешняя граница протона находится от центра на расстоянии 4,5616 10 -16 м. Но необходимо помнить, что небольшая (порядка 1%) часть массы покоя, заключенная в постоянном электрическом и постоянном магнитном полях, в соответствии с классической электродинамикой, находится вне данного радиуса.

2.2 Магнитный момент протона

2.3 Электрическое поле протона

2.3.1 Электрическое поле протона в дальней зоне

Знания физики об структуре электрического поля протона менялись по мере развития физики. Первоначально считалось, что электрическое поле протона представляет собой поле точечного электрического заряда +e. Для данного поля будут:
потенциал электрического поля протона в точке (А) в дальней зоне (r >> r p) точно, в системе СИ равен:

напряженность E электрического поля протона в дальней зоне (r >> r p) точно, в системе СИ равна:

где n = r /|r| - единичный вектор из центра протона в направлении точки наблюдения (А), r - расстояние от центра протона до точки наблюдения, e - элементарный электрический заряд, жирным шрифтом выделены вектора, ε 0 - электрическая постоянная, r p =Lh/(m 0~ c) - радиус протона в полевой теории, L - главное квантовое число протона в полевой теории, h - постоянная Планка, m 0~ - величина массы заключенной в переменном электромагнитном поле покоящегося протона, c - скорость света. (В системе СГС отсутствует множитель Множитель СИ .)

Данные математические выражения верны для дальней зоны электрического поля протона: r >> r p , но физика тогда предполагала, что их верность распространяется и в ближней зоне, до расстояний порядка 10 -14 см.

2.3.2 Электрические заряды протона

2.3.3 Электрическое поле протона в ближней зоне

2.4 Масса покоя протона

В соответствии с классической электродинамикой и формулой Эйнштейна, масса покоя элементарных частиц с квантовым числом L>0, в том числе и протона, определяется как эквивалент энергии их электромагнитных полей:

где определенный интеграл берется по всему электромагнитному полю элементарной частицы, E - напряженность электрического поля, H - напряженность магнитного поля. Здесь учитываются все компоненты электромагнитного поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле, переменное электромагнитное поле. Эта маленькая, но очень емкая для физики формула, на основании которой получены уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отправит в утиль не одну сказочную "теорию" - поэтому ее возненавидят некоторые их авторы.

Как следует из приведенной формулы, величина массы покоя протона зависит от условий, в которых протон находится. Так поместив протон в постоянное внешнее электрическое поле (например, атомное ядро), мы повлияем на E 2 , что отразится на массе протона и его стабильности. Аналогичная ситуация возникнет при помещении протона в постоянное магнитное поле. Поэтому некоторые свойства протона внутри атомного ядра, отличаются от тех же свойств свободного протона в вакууме, вдали от полей.

2.5 Время жизни протона

3 Протон в Стандартной модели

4 Протон это элементарная частица

5 Когда физика оставалась наукой

6 Протон - итог

Как то я уже писал о "неуловимых" мюонах и, связанным с ними таком физическом явлении, как молнии:

А сегодня во френдленте прочитал интересную статью, детально раскрывающую природу мюона и связанного с ним "меньшего, чем обычно" протона. Кто заинтересовался - статья под катом.

«Радиус протона оказался на 4 процента меньше, чем считалось до сих пор. Такой вывод был сделан группой физиков, которые провели самое точное на сегодняшний день измерение радиуса частицы. Свои результаты ученые опубликовали в журнале Nature. Коротко о работе пишет New Scientist.

О радиусе протона

Прежде всего, я хочу поблагодарить блоггера Миронову Валентину Юрьевну, благодаря которой я узнал о существовании проблемы расхождений в результатах, получаемых при измерениях размеров протона, которые стабильно повторяются в процессе его измерений различными способами. А также моего постоянного в течение уже многих лет корреспондента издалека, благодаря которому я получил и подробное описание методик тех измерений. А теперь о сути проблемы и сначала цитата.

«Радиус протона оказался на 4 процента меньше, чем считалось до сих пор. Такой вывод был сделан группой физиков, которые провели самое точное на сегодняшний день измерение радиуса частицы. Свои результаты ученые опубликовали в журнале Nature. Коротко о работе пишет New Scientist.

Авторы новой работы решили уточнить полученные ранее оценки размера протона, использовав необычную технологию эксперимента. Физики получали структуру, подобную атому водорода, в которой вместо электрона находился мюон - отрицательно заряженная элементарная частица в 207 раз тяжелее электрона. Из-за разницы в массе мюон обращается приблизительно в 200 раз ближе к протону и изменения его энергетических уровней намного сильнее зависят от характеристик протона.

По итогам проведенных опытов ученые вычислили, что радиус протона составляет 0,84184 фемтометров (фемтометр - это 10-15 метра), что на 4 процента меньше принятого на сегодня значения. Пока исследователи не могут объяснить новые результаты, так как они противоречат теории квантовой электродинамики, которая считается самой точной физической теорией. Коллеги авторов не исключают, что причиной расхождения может быть ошибка (или ошибки), произошедшая на одной из стадий эксперимента. Еще одно возможное объяснение - ошибки в положениях теории квантовой электродинамики. И, наконец, третий вариант, о котором специалисты говорят с очень большой осторожностью, - новые результаты свидетельствуют о том, что у протона существуют абсолютно неизвестные физикам свойства».

Вот, что приходит в голову по поводу этого исключительно важного сообщения.
Прежде всего нужно вспомнить, что электрон в атоме в ассоциации с протоном не является частицей, в форме которой он существует, находясь вне этой системы. Внутри этой системы его можно представить в форме объемного энергетического вихря, обладающего определенной кинетической энергией и отрицательным электрическим зарядом. Как часто говорят, «Облака», форма которого и значение его массы инерции определяется занимаемым им в атоме энергетическим уровнем.

Следующим, что нужно иметь в виду для того, чтобы получить достаточно логичные объяснения полученным в упомянутом эксперименте результатам, что согласно Концепции MWT кинетическая энергия представляет собой некую потенциальную энергию, которая накапливается в пространстве Более Высокой Мерности (БВМ) в процессах различных в нашем мире взаимодействий, и может возвращаться обратно в наш мир в ответ на приложение к физическому объекту, ею обладающему, воздействия, противоположного тому, которое было в процессе ее накопления. (Вывод из описания решений математики Янга-Миллса).

И, наконец, еще одно и самое важное для понимания рассматриваемой проблемы обстоятельство. Как когда-то написал Платон: « Идея вещи есть цельность всех составляющих её частей, неделимая на эти части». Иными словами, замена электрона в системе ассоциированных протона с электроном на мюон не только замена одного из составляющих систему элементов на другой, это - замена одной находящейся в стабильном динамическом равновесном состоянии системы на другую, которая, тем не менее, также должна оставаться в стабильном динамическом равновесном состоянии. А это новое состояние может образоваться только в том случае, если произойдут какие-то изменения у всех составляющих систему элементов. В нашем случае - должен каким-то образом измениться и протон. Еще раз: « Идея вещи есть цельность всех составляющих её частей, неделимая на эти части».

Для пояснения выдвинутого предположения можно сказать следующее.

Чтобы сохранить вновь образовавшуюся систему в таком же динамическом равновесии, более тяжелый мюон естественно должен приблизиться к тому, чем стал новый протон. Чтобы удержать мюон в новой системе, протон должен найти в себе для этого достаточно энергии. И самым центральным для удовлетворительного объяснения наблюдаемого в результате эксперимента вывода является ответ на вопрос - откуда она может у него появиться?

Протон представляет собой ассоциацию трех кварков, энергия которых практически полностью состоит из кинетической энергии вращения и которые составляют систему, находящуюся в динамическом равновесном состоянии, поддерживаемом взаимодействием конфайнмента, взаимодействием «Наоборот», которое с ростом расстояния между физическими объектами увеличивается, а с уменьшением расстояния - ослабевает.

Поскольку это динамическое равновесие может поддерживаться неопределенно долгое время, а подобные динамические равновесные системы подвергаются постоянным возмущениям, но какого-то источника корректирующей эти возмущения энергии в нашем мире пока не нашлось, остается предположить, что корректирующая энергия может поступать лишь из пространства БВМ.

Подобным возмущением по сути является и замена электрона на мюон, а получить ту необходимую протону энергию, которая была уже упомянута, он также может лишь из пространства БВМ. Но, в таком случае, если меняется внутренняя энергия протона, в нем изменяются и условия нового состояния конфайнмента. Скорее всего, кварки должны сблизиться для увеличения внутренней энергии системы, или, иными словами, создать, тем самым, новый протон. Что и обнаруживается в упомянутом эксперименте и, скорее всего, сможет найти свое подтверждение в достаточно адекватной математической модели, отображающей этот феномен.

В атомной физике вот уже несколько лет сохраняется серьезная проблема: радиус протона, полученный в новаторском эксперименте с мюонным водородом, сильно расходится с результатами традиционных измерений. Несмотря на усилия сотен физиков, общепринятого решения проблемы до сих пор нет. Непонятно даже, в чем подвох: в расчетах, в экспериментах (и тогда - в каких), в обработке данных или же, наконец, в самой природе. На днях та же самая экспериментальная группа усугубила проблему: аналогичные измерения в мюонном дейтерии дают результат, сильно отличающийся от обычного дейтерия.

Загадочный протонный радиус: в чем проблема и почему это беспокоит физиков

Шесть лет назад коллаборация CREMA , коллектив экспериментаторов из швейцарского Института Пауля Шеррера (Paul Scherrer Institute , PSI) огорошили физиков неожиданным заявлением: их эксперимент по измерению размера протона дал результат на 4% меньше, чем считалось до этого. Стремясь улучшить точность измерений этой довольно-таки изученной величины, они поставили новаторский эксперимент: измерили радиус протона через сдвиг уровней энергии в мюоном водороде (атом μp ). Точность у них в самом деле оказалась превосходной - как минимум в двадцать раз лучше, чем у любого из многочисленных предыдущих измерений. Но только результат на пять стандартных отклонений отличался от значения, полученного комитетом CODATA при усреднении по всем предыдущим экспериментам (а они до тех пор проводились только с электрон-протонным взаимодействием). В 2013 году эта же группа обновила измерения и повысила точность - и расхождение достигло уже 7σ.

Так в фундаментальную физику ворвалась загадка протонного радиуса - и, несмотря на усилия сотен специалистов, она до сих пор остается неразрешенной.

Более того, в этой ситуации даже толком непонятно, где подвох. Одно дело, когда эксперимент расходится с теорией - такое в физике микромира бывает нередко и помогает улучшать теоретические модели или отбраковывать не относящиеся к нашему миру гипотезы. Бывает - правда, куда реже - и так, что разные методы измерения одной и той же величины дают различающиеся результаты. Самый яркий пример - это измерения гравитационной постоянной : там есть уже аж четыре (!) экспериментальных значения, которые отличаются друг от друга на десяток сигм. Бесспорно, это конфузная ситуация, ведь результат может быть только один. Но по крайней мере понятно, что проблема здесь кроется в неучтенных погрешностях экспериментов.

А в ситуации с радиусом протона непонятно, на что пенять. На вот эти эксперименты с мюонными атомами? Трудно поверить, что экспериментаторы ошиблись на сотню (!) своих сигм, особенно когда в своем спектре они прекрасно видят опорные калибровочные линии там, где они должны находиться. К тому же измеренные ими другие спектроскопические величины, например сверхтонкое расщепление, хорошо согласуются с теоретическими расчетами.

Или надо пенять на все предыдущие эксперименты с электронами? Но их был не один десяток (вообще, их сотни, только у большинства погрешность больше обнаруженного расхождения). Или, может быть, проблема не в самих результатах измерений, а в тех теоретических формулах, через которые из них вычисляется радиус протона? Ведь они получаются из очень нетривиальных расчетов и содержат множество подводных камней. Эта неприятная возможность, особенно для таких, казалось бы, элементарных систем как (мюонный) атом водорода, очень нервирует теоретиков. Ну и наконец, может оказаться, что и с экспериментами, и с формулами все в порядке, а расхождение привносит совершенно новый, неизвестный ранее физический эффект, какой-то из вариантов Новой физики, которую так давно и пока безуспешно ищут на коллайдерах.

Чтобы как-то разобраться с этим клубком вопросов, полезно поставить эксперименты не с протоном, а с другими ядрами, и проверить, как согласуются здесь электронный и мюонный метод измерения. На днях та же самая группа из Института Пауля Шеррера опубликовала в журнале Science статью с результатами спектроскопических измерений в мюонном дейтерии . Из них физики извлекли радиус дейтрона (связанное состояние протона и нейтрона), сравнили его со значением, полученным в обычном, электронном дейтерии, - и тоже обнаружили сильное расхождение. Таким образом, загадочное расхождение между мюонным и электронным методом подтверждается и крепнет ; и распространяется оно не только на протон, но и на другие ядра.

Методы измерения радиуса протона

Теперь погрузимся в эту тему чуть серьезнее. Атомные ядра в сто тысяч раз меньше самих атомов, поэтому никаким «миниатюрным штангенциркулем» ядро напрямую не измеришь. Однако размер ядра можно почувствовать косвенно, через влияние, которое неточечное ядро оказывает на разные явления.

Здесь надо сразу сделать пояснение. У одного и того же ядра может быть несколько разных размеров . В зависимости от того, каким процессом мы его прощупываем, даже отдельный протон может казаться больше или меньше. В этой новости речь будет идти исключительно об электромагнитном взаимодействии между ядром (например, протоном) и электроном, поскольку это самый удобный для измерения процесс. Оно зависит от того, как распределены электрические заряды внутри протона. Детали этого распределения, к счастью, несущественны; эффект выражается через усредненный «электрический размер» протона - зарядовый радиус r p . Рассказ о том, какие еще бывают радиусы и в каких задачах они встречаются, читайте в новости Оптические исследования помогают изучать ядра с нейтронным гало («Элементы», 18.10.2013).

Есть две разновидности экспериментов по измерению зарядового радиуса протона. Первый - это столкновение протонов со свободно летающими электронами. В эксперименте измеряется угловое распределение рассеявшихся электронов, это распределение сравнивают с теоретическим предсказанием для точечного ядра и видят различие, которое возникает как раз за счет внутренней структуры ядра. Из этого различия и вычисляется его зарядовый радиус.

Второй способ - спектроскопический, через взаимодействие ядра со связанным электроном. Электрон в атоме размазан по объему, который намного больше ядра. Однако крошечная часть электронного облака все-таки залезает внутрь ядра - и чем крупнее ядро, тем больше эта доля. Внутри ядра электрическое поле не такое, как было бы от заряженной точки, и это слегка изменяет энергию связи ядра с электроном, то есть сдвигает уровень энергии. Обратите внимание: этот эффект работает только для электронов на S-орбитали; электроны на более высоких орбиталях вращаются вокруг ядра и непосредственно в центральную область проникнуть не могут (рис. 4). Поэтому если очень точно измерить разницу энергии двух электронных уровней, то по теоретическим формулам можно вычислить радиус ядра.

У этого метода есть две разновидности. Во-первых, можно сравнивать два электронных уровня с одинаковым главным квантовым числом, например уровни 2S и 2P (рис. 5). Эта разница называется лэмбовским сдвигом . Она маленькая, всего 4 микроэлектронвольт для 2S–2P расщепления в атоме водорода, но современные спектроскопические методы без труда ее измеряют. Возникает она в основном за счет квантовых флуктуаций электромагнитного поля, но свой вклад в него дают еще два эффекта: радиус ядра (это как раз нужный нам эффект) и двухфотонный обмен между электроном и ядром (для обычного водорода он, впрочем, очень мал).

Во-вторых, можно измерять переходы между сильно различающимися уровнями, например 1S и 2S. Тут, правда, есть нюанс: чтобы отсюда вычислить радиус ядра, надо знать постоянную Ридберга - фундаментальную величину, в единицах которой считаются энергии связи. Но постоянная Ридберга сама извлекается из таких спектроскопических измерений. Поэтому, чтобы извлечь и ее, и радиус ядра, требуются две пары уровней.

На рис. 6 показаны значения зарядового радиуса протона, полученные из многочисленных спектроскопических измерений. Первые три точки - измерения через лэмбовский сдвиг, остальные - измерения через две пары уровней. Каждое конкретное измерение не слишком впечатляет, но объединение результатов позволяет достичь погрешности меньше процента (широкая голубая полоса на графике).

На рис. 7 этот суммарный спектроскопический результат показан одной точкой, а в дополнение приведены два результата из экспериментов по рассеянию электронов на протонах. Заметьте: все электронные результаты, полученные разными методами, прекрасно согласуются друг с другом. Черным цветом показан объединенный результат по всем электронным измерениям. Когда в 2010 году комитет CODATA обновил свои рекомендации по физическим величинам, он выдал такое значение для зарядового радиуса протона:

r p (CODATA 2010) = 0,8775 ± 0,0051 фм (фемтометров; 1 фм = 10 −15 м).

Спектроскопия мюонного водорода

Как и всякую фундаментальную величину, зарядовый радиус протона следует пытаться измерить с как можно лучшей точностью. Из спектроскопических измерений на тот момент выжали все, что могли: хоть они и сверхточные, но влияние радиуса протона на уровни энергии очень слабое. Однако давно была мысль сделать то же для мюонного водорода μp - экзотического атома, у которого вокруг протона вращается не электрон, а мюон (рис. 2). Мюоны - это тяжелые собратья электронов; они участвуют в тех же самых взаимодействиях, но только в 200 раз тяжелее электронов. Из-за такой большой массы размер мюонного атома получается в те же 200 раз меньше обычного. Но ядро-то осталось прежним! Поэтому для мюона вероятность оказаться внутри ядра возрастает в 200 3 , то есть почти в десять миллионов раз по сравнению с электронной. А это значит, что во столько же раз усиливается чувствительность к зарядовому радиусу протона - прекрасный подарок для экспериментаторов.

С мюонами есть одна трудность: они нестабильны. Распадаются они, впрочем, неохотно, и их время жизни, 2,2 микросекунды, - это вечность по масштабам микромира. За это время мюоны можно произвести в ускорителе, замедлить и переслать по вакуумной трубе в рабочую камеру с газообразным водородом. Мюоны там останавливаются, цепляются к какому-нибудь ядру водорода и отсоединяются от молекулы в виде атома μp . Этот атом вначале получается сильно возбужденным, но мюон быстро излучает фотоны и обычно падает на основное состояние 1S. Однако примерно в 1% случаев он заканчивает свой путь на долгоживущем уровне 2S, который как раз годится для спектроскопических измерений. Самое главное, что весь этот каскад процессов происходит менее чем за 1 микросекунду, поэтому большинство мюонов прекрасно проходят его до конца, не распавшись.

Все это звучит просто на словах, но требует недюжинной экспериментальной сноровки в реальности. Техническое достижение группы из Института Пауля Шеррера как раз состояло в том, что они собрали новую линию доставки и охлаждения мюонов, которая выдавала им мюонные атомы по несколько сот штук в секунду, что на порядок превышало результаты предыдущих установок.

Дальше производится измерение лэмбовского сдвига между состояниями 2S и 2P стандартным резонансным методом (за подробностями отсылаем к упомянутой выше новости). На рис. 8 показана структура этих уровней в мюонном водороде. Обратите внимание, что все смещения здесь вполне приличные. Тот же лэмбовский сдвиг тут в 50 тысяч раз сильнее, чем в обычном водороде, да и искомый эффект конечного размера ядра достигает почти 4 мэВ. Именно благодаря этому возрастает точность измерений: пожертвовав статистикой событий, мы резко улучшили точность измерения резонансной линии.

Технически, измерения выполняются следующим образом. В рабочую камеру с водородом, в которую залетел мюон, светят короткой лазерной вспышкой на частоте, настроенной на разницу уровней 2S и 2P (а точнее, определенных подуровней сверхтонкого расщепления). Обратите внимание: эксперимент здесь штучный. Каждый влетевший мюон сигнализирует системе о своем приходе, и через 0,9 мкс установка запускает лазерную вспышку. В подавляющем большинстве случаев это ни к чему не приводит. Но если мюон удержался в состоянии 2S, то он перекидывается в 2P, откуда он тут же падает на основное состояние 1S с испусканием рентгеновского фотона с энергией 1,9 кэВ. Его-то и регистрируют детекторы. За несколько часов набирается статистика из нескольких десятков фотонов, затем частоту лазера чуть-чуть сдвигают и повторяют эксперимент. Конечным итогом этого измерения является красиво прорисованная резонансная линия перехода 2S в 2P (рис. 9). Положение максимума и дает разницу уровней, а значит, позволяет вычислить радиус протона.

Эти результаты были обнародованы в 2010 году и положили начало загадке протонного радиуса. Как видно из рис. 9, резонансная линия оказалась совсем не там, где ее ожидали увидеть на основе общепринятого к тому моменту радиуса протона. В 2013 году экспериментаторы измерили частоту не одного, а сразу трех разных переходов между разными подуровнями сверхтонкого расщепления и однозначно разделили непосредственно лэмбовский сдвиг и сверхтонкое расщепление. Новое измерение действительно оказалось очень точным, с относительной погрешностью 0,05%:

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

Ситуация, на самом деле, еще серьезнее. Расхождение в радиусе протона влечет за собой сравнимое расхождение в измеренной величине постоянной Ридберга, поскольку они извлекаются друг с другом из спектроскопических данных. На очень точном знании постоянной Ридберга базируются и многие спектроскопические результаты - и на них аукнется, если эта константа «поплывет».

Спектроскопия мюонного дейтерия

Коллаборация CREMA, проводя эксперименты с мюонным водородом, набирала параллельно данные и по тяжелому мюонному водороду - дейтерию. Ядро дейтерия, дейтрон, - это связанная система протона и нейтрона. Привлекательность дейтрона в том, что эта система довольно слабо связана и потому довольно крупная. Зарядовый радиус дейтрона r d превышает 2,1 фм - и это при том, что добавленный нейтрон вообще-то электрически нейтральный. А поскольку сдвиг атомных уровней пропорционален квадрату зарядового радиуса, можно надеяться на хорошее измерение r d даже при небольшой статистике.

Этот анализ был недавно завершен, и его результаты появились в последнем выпуске журнала Science . Из-за спина дейтрона сверхтонкое расщепление в дейтерии чуть богаче, чем в обычном. Исследователи выполнили измерения трех линий перехода и, на основе теоретических формул, получили результат:

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

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

Сравнение нового результата со всеми остальными показано на рис. 10. Во-первых, так же, как и для протона, здесь видно сильное различие между новым результатом и рекомендованным значением CODATA-2010 - на 7,5σ. Обновленная рекомендация CODATA-2014 слегка изменилась, и с ней расхождение составляет «всего» 6σ.

Но осторожно: это расхождение еще нельзя интерпретировать как новую загадку. Значение CODATA для r d не независимое, а целиком опирается на протонный радиус r p . Поэтому в дополнение к своему собственному эксперименту коллаборация CREMA провела отдельный спектроскопический анализ уровней в обычном дейтерии и извлекла отсюда свое значение r d (синяя точка на рис. 10), см. июльский препринт Deuteron charge radius from spectroscopy data in atomic deuterium . Оно более-менее согласуется с CODATA, но только оно уже никоим образом не зависит от протонного радиуса r p . Таким образом, даже если отбросить рекомендации CODATA, все равно налицо расхождение между двумя спектроскопическими методами: для обычного дейтрона и для мюонного. Оно достигает 3,5σ и представляет собой дополнительное независимое подтверждение того, что между мюонными и электронными измерениями есть серьезный конфликт . К сожалению, данные по рассеянию электронов на дейтронах пока слишком неопределенные и не могут отдать предпочтение ни одному из методов.

Следующий момент. Поскольку сейчас есть два спектроскопических измерения для разных мюонных атомов, появляется возможность сравнить их друг с другом. Это можно сделать, поскольку разница между зарядовыми радиусами дейтрона и протона хорошо известна из 1S–2S разницы в обычном водороде и дейтерии. Если взять результат r p из мюонного водорода и вычислить r d , то получится оранжевая точка на рис. 10. Она отличается от красной на 2,6σ. Означает ли это несостыковку между двумя мюонными измерениями? Не обязательно. Дело в том, что раз мы допускаем реальность расхождения r p между μp и ep -системами, то это расхождение не обязано оставаться таким же для дейтерия. Более того, есть модели Новой физики, которые как раз утверждают, что в дейтерии расхождение будет сильнее процентов на 20 (это отношение кубов приведенных масс в μd и μp -системах). Поэтому, кто знает, может быть различие между красной и оранжевой точками окажется реальным физическим эффектом Новой физики.

Кто виноват и что делать?

С самого момента своего появления загадка протонного радиуса считалась одним из главных камней преткновения в атомной физике. Новые экспериментальные результаты швейцарской группы делают проблему еще более жгучей. Число попыток разобраться в ней исчисляется уже сотнями, но до сих пор ни одного общепринятого разрешения не существует.

Самое консервативное объяснение - это что в теоретических формулах для лэмбовского сдвига мюонного атома неправильно сосчитан или вообще пропущен какой-то вклад, который сдвигает уровни энергии на величину расхождения (в пересчете на энергию она составляет 0,32 мэВ). С момента возникновения загадки сотни физиков многократно разбирали эти формулы на составные части, искали в них слабые места и неучтенные погрешности, но никакого прокола не нашли. Примечательна, например, статья Theory of the 2S-2P Lamb shift and 2S hyperfine splitting in muonic hydrogen , в которой в нескольких таблицах собраны разные вклады в лэмбовский сдвиг для мюонного водорода по расчетам разных авторов. Пожалуй, самым спорным остается двухфотонный вклад, поскольку он зависит не только от электромагнитного взаимодействия, но и от устройства протона и его возбужденных состояний. Для мюонного атома этот вклад намного больше, чем для обычного, и его расчеты привносят самые большие неопределенности в теоретический результат для лэмбовского сдвига в μp -атоме. Но он примерно в 10 раз меньше, чем обнаруженное расхождение, поэтому единолично спасти ситуацию не может.

Есть также подозрение, что из данных по рассеянию электронов радиус протона был извлечен не вполне корректно, по слишком упрощенным формулам. По крайней мере, опубликованная два месяца назад статья Consistency of electron scattering data with a small proton radius сообщает, что более скрупулезная экстраполяция данных в область малых углов рассеяния дает новый результат для радиуса протона, согласующийся с мюонными измерениями. Аналогичный вывод был сделан еще четыре года назад на основании иного теоретического метода в публикации The size of the proton - closing in on the radius puzzle . Однако рассеяние рассеянием, но основная проблема возникла все же из спектроскопических данных.

Наконец, остается щекочущая нервы возможность, что обнаруженное расхождение реально и что оно возникает из-за влияния каких-то совершенно новых частиц или взаимодействий. Им нет места в Стандартной модели, они нарушают универсальность взаимодействий между ядром и лептонами (электроном и мюоном), и значит, это может быть указанием на долгожданную Новую физику. К тому же в физике частиц есть еще две загадки, не такие, правда, громкие, но которые тоже заставляют физиков считать, что с мюонами «не все чисто». Это расхождение между теоретическим и экспериментальным значением аномального магнитного момента мюона , которое давно уже держится на уровне чуть больше 3σ, и подозрительные примеры нарушения лептонной универсальности , обнаружившиеся недавно на Большом адронном коллайдере. Насколько это все связано друг с другом, непонятно. Но как минимум существуют теоретические модели, которые введением новых частиц умудряются объяснить и аномальный магнитный момент мюона, и загадку протонного радиуса.

Тут любопытно заметить, что физику элементарных частиц - которая как раз интересуется самыми фундаментальными свойствами микромира - эта загадка задела лишь вскользь и существенного ажиотажа (пока?) не вызвала. Видимо, большинство физиков, которые занимаются поисками эффектов за пределами Стандартной модели и построением теорий Новой физики, уверено, что разгадка будет «приземленной», в виде какого-то неучтенного эффекта в эксперименте или плохо вычисленного коэффициента для связи радиуса с уровнями энергии.

В заключение кратко обрисуем планы на будущее, которые для такой жгучей загадки должны быть многообразные.

Та же швейцарская коллаборация CREMA недавно (в 2013–2014 годах) провела те же измерения лэмбовского сдвига в мюонных атомах, но уже для гелия-3 и гелия-4. Результаты пока не объявлены, поскольку теоретические формулы, и в особенности двухфотонный вклад, известны еще хуже.

Там же, в Институте Пауля Шеррера планируется также и другой эксперимент - по упругому рассеянию мюонов и электронов на протонах. Предполагается, что в рамках одной установки можно будет одну и ту же мишень обстреливать мюонами и электронами, причем заряженными как положительно, так и отрицательно. Разница между двумя зарядами позволит выделить вклад злосчастного двухфотонного обмена. Этот эксперимент MUSE пока находится в стадии технического проекта.

В 2014 году в в Майнце (Германия), на ускорителе MAMI был проведен новый эксперимент по рассеянию электронов на дейтронах. Этот эксперимент нацелен на уменьшение погрешностей зеленой точки на рис. 10. Окончательные результаты измерений пока не представлены.

Планируется также целый ряд новых спектроскопических измерений в обычном водороде с использованием других пар уровней, а также альтернативные эксперименты по измерению постоянной Ридберга. Также, в американской Национальной лаборатории им. Джефферсона (Jefferson Lab) есть планы изучить совсем уж экзотический атом - так называемый «истинный мюоний», связанное состояние мюона и антимюона (он называется истинный, потому что термин «мюоний» уже, к сожалению, закрепился за другой системой). Конкретных сроков тут пока названо.

И наконец, совсем отдаленная перспектива - вывести радиус протона чисто теоретически, из первых принципов. Сделать это можно лишь численно, в рамках квантовой хромодинамики на решетках (Lattice QCD), с помощью исключительно ресурсоемких расчетов. Для ближайшего будущего точность в один процент пока недостижима; тут пока что речь идет о погрешностях в десятки процентов. Но сам факт, что рано или поздно мы научимся это вычислять, отчасти обнадеживает. Хотелось бы, впрочем, чтобы эта загадка к тому времени уже разрешилась.