Ядро дейтерію є меншим, ніж припускали раніше, засвідчують нові вимірювання. Це вдруге нові обчислення вказують на відхилення радіуса атомного ядра від загальновизнаного значення. Ці похибки означають, що одна з базових фізичних величин — радіус протона — дотепер була визначена неправильно, інформують науковці в журналі Science. Якщо це підтвердиться, доведеться підкорегувати чимало природних констант.
Частина довжин хвиль, що неодхідні для експериенту, щоб визначити довжину радіуса дейтрона. Фото: Інституту імені Пола Шеррера / A. Antognini і F. Reiser
Протон — одна з фундаментальних складових матерії, адже разом з нейтронами утворює атомне ядро. Властивості протонів лежать в основі важливих фізичних сталих, зокрема це стосується сталої Рідберґа, завдяки якій визначають спектральні лінії певних елементів. Тобто коли значення, наприклад, розміру протона, яке вважають загальновизнаним, називають хибним чи неточним, настають серйозні наслідки.
Саме це відбулося 2010 року, коли з допомогою лазерної спектроскопії науковці переміряли радіус протона. При тім замість визнаної доти величини (0,8768 фемтометра) дослідники отримали позначку 0,84184 фемтометра. Тобто протон був меншим, ніж раніше припускали. Ці результати вимірювання спричинилися до занепокоєння та затятих дискусій.
Чи ймовірно, що дані були хибними? Чи старе значення було правильним? Чи діяла тоді невідома фізична сила? «Після 2010 року, коли опублікували наше дослідження, я боявся, що зреагують досвідчені фізики і вкажуть нам на грубу помилку, — розповідає Рандольф Поль (Randolf Pohl) з Університету Майнца. — Але минули роки, і донині не сталося нічого такого».
Натомість нові вимірювання тільки поглиблюють таємницю протонового радіуса. Нещодавно Поль та його колеґи заново визначили радіус іншого атомного ядра, цього разу ядра дейтерію — дейтрона. Ця частинка складається з протона й нейтрона, тобто є найпростішим зі складених атомних ядр.
І знову нові значення, отримані завдяки лазерній спектроскопії, відрізняються від старих даних. Раніше радіус дейтрона вважали рівним 2,1424 фемтометра, а тепер дослідники отримали значення 2,12562 фемтометра. «Це підтверджує, що протоновий радіус є меншим, як було і з мюонним воднем, тобто таємниця навколо радіуса протона поглиблюється», — вважає Поль.
У своїх дослідженнях наковці послуговувалися лазерною спектроскопією. Для цього у формулі важкої води вони замінили електрон дейтерію на мюон. Ця елементарна частинка також неґативно заряджена й дуже подібна на електрон, але майже в 200 разів тяжча від нього. Через те мюони рухаються набагато ближче до ядра атома, а шляхи їхнього руху сильно залежать від розміру ядра.
З надскладною системою імпульсного лазера дослідники надали мюонові енергії (за правильних довжин хвиль мюон тимчасово може підніматися на вищий енергетичний рівень). Падаючи назад в нормальний стан, він висилає рентґенівські фотони. З огляду на їх кількість можна визначити енергетичну дистанцію мюонних шляхів навколо ядра, а потім — і радіус дейтрона.
Визначений завдяки новому методові радіус дейтрона знову підтверджує, що протон мав би бути меншим, ніж припускали протягом довшого часу. «Можна було б сказати, це припущення тепер підтвердили вже двічі», — вважає Поль.
Чому нові значення відрізняються від старих, не раз вимірюваних довжин, залишається нез'ясованим. Науковці схильні вважати, що помилку зробили колись, але не тепер. «У те, що наш метод лазерної спектроскопії може помилитися, ніхто зі спільноти не вірить, — пояснює співавтор Альдо Антоніні (Aldo Antognini) з Інституту імені Поля Шеррера. — Натомість таємницю можна легко розгадати, якщо взяти до уваги експериментальну проблему водневої спектроскопії». Цим методом отримали частину попередніх даних про розмір протона і дейтрона. Вже роками науковці працюють над вдосконаленням цього та інших методів вимірювання радіуса елементарних частинок.
Якщо з'ясується, що воднева спектроскопія раніше демонструвала хибні показники, це матиме серйозні наслідки. «Це означатиме, що сталу Рідберґа треба трошки підкорегувати», — пояснює Антоніні.
З-поміж усіх фізичних незмінних величин константа Рідберґа була визначена з високою точністю — відома восьма цифра після коми. Якщо ж підтвердиться, що радіус протона є меншим, зміниться й остання цифра після коми. Це повпливає на багато галузей фізики й призведе до коректур природних констант.
Scinexx.de, 15/08/2016
Зреферувала Соломія Кривенко
24.08.2016