Изненада във физиката: Протоните всъщност са по-малки

Проучване на Университета в Бон и Техническия университет Дармщат намери грешки при интерпретацията на по-стари измервания.

Преди няколко години нова техника за измерване показа, че протоните вероятно са по-малки, отколкото се предполагаше от 90-те години на миналия век. Несъответствието изненада научната общност. Някои изследователи дори смятаха, че Стандартният модел на физиката на елементарните частици ще трябва да бъде променен. Физиците от Университета в Бон и Техническия университет в Дармщат вече са разработили метод, който им позволява да анализират резултатите от по-стари и по-нови експерименти много по-изчерпателно от преди. Това води до по-малък протонен радиус от по-старите данни. Така че вероятно няма разлика между стойностите - без значение на кой метод на измерване се основават.

Проучването е публикувано в Physical Review Letters.

Нашият офис стол, въздухът, който дишаме, звездите в нощното небе - всички те са направени от атоми, които от своя страна са съставени от електрони, протони и неутрони. Електроните са отрицателно заредени, според настоящите познания те нямат размери, а са точкови. Положително заредените протони са различни - според текущите измервания радиусът им е 0,84 фемтометра (фемтометърът е квадрилионна част от метъра или 1 fm = 10^-15 m).

До преди няколко години обаче се смяташе, че те са 0,88 фемтометра - малка разлика, която предизвиква доста вълнение сред специалистите. Защото не бе толкова лесно да се обясни. Някои експерти дори смятат, че това е индикация, че Стандартният модел на физиката на елементарните частици е погрешен и трябва да бъде модифициран.

„Нашите анализи обаче показват, че тази разлика между старите и новите измерени стойности изобщо не съществува“, обяснява проф. д-р Улф Майснер (Ulf Meißner) от Института по радиационна и ядрена физика "Хелмхолц" към Университета в Бон. „Вместо това по-старите стойности бяха обект на систематична грешка, която досега е била значително подценявана.

Игра на билярд в космоса на частиците

За да се определи радиуса на протона, може да се бомбардира с електронен лъч в ускорител. Когато електрон се сблъска с протон, и двете частици променят посоката си на движение - подобно на сблъсъка на две билярдни топки. Във физиката този процес се нарича еластично разсейване. Колкото по-голям е протонът, толкова по-често се случват такива сблъсъци. Следователно неговите размери могат да се изчислят от вида и степента на разсейване.

Колкото по-висока е скоростта на електронния лъч, толкова по-прецизни са измерванията. Това обаче увеличава и риска електронът и протонът да образуват нови частици, когато се сблъскат.

„При високи скорости или енергии това се случва все по-често“, обяснява Майснер. „На свой ред събитията на еластично разсейване стават все по-редки. Следователно, за измерване на размера на протона, досега се използват само данни от ускорители, в които електроните са имали относително ниска енергия.

По принцип обаче сблъсъците, които произвеждат други частици, също дават важна представа за формата на протона. Същото важи и за друго явление, което се проявява при високи скорости на електронния лъч - така наречената електронно-позитронна анихилация.

„Разработихме теоретична основа, с която подобни събития могат да се използват и за изчисляване на радиуса на протона“, казва проф. д-р Ханс-Вернер Хамер (Hans-Werner Hammer) от ТУ Дармщат. "Това ни позволява да вземем предвид данните, които досега са били пропуснати."

Пет процента по-малко от предполагаемите 20 години

Използвайки този метод, физиците анализират отново показанията от по-стари, както и от много скорошни експерименти - включително тези, които по-рано предполагаха стойност от 0,88 фемтометра. С техния метод обаче изследователите стигнаха до 0,84 фемтометра - това е радиусът, който бе открит при новите измервания, базирани на напълно различна методология.

Така че протонът всъщност изглежда е с около 5 процента по-малък, отколкото се предполагаше през 90-те и 2000-те години. В същото време методът на изследователите позволява и нови прозрения за фината структура на протоните и техните незаредени събратя, неутроните. Така че това ни помага да разберем малко по-добре структурата на света около нас – столът, въздухът, но също и звездите в нощното небе.

Справка: “New Insights into the Nucleon’s Electromagnetic Structure” by Yong-Hui Lin, Hans-Werner Hammer and Ulf-G. Meißner, 3 February 2022, Physical Review Letters.

DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.052002

Източник: Physics Surprise: Protons Are Probably Actually Smaller Than Long Thought, University Of Bonn

Още по темата

16/06/2019

Физика

Три загадки на протона остават век след откриването му

21/05/2019

Физика

Един експеримент намеква за квантово вплитане вътре в протоните

12/04/2016

Новини

В Големия адронен колайдер произведоха протонни сблъсъци за първи път тази година