«Загадка радиуса протона»: новое фундаментальное взаимодействие или усовершенствование техники измерений?
В новом высокоточном эксперименте по электрон-протонному рассеянию получено уточнённое значение радиуса протона. Эта величина оказалась меньше обычно измеряемых значений, но согласуется с неожиданными результатами 2010 г. по измерениям в «мюонном» водороде, вызвавшими к жизни предположение о существовании некоего неизвестного нам фундаментального взаимодействия в природе. Новые результаты, похоже, «отменяют» это открытие, но зато знаменуют новый шаг в повышении точности измерений на субатомных частицах.
Физики из Лаборатории Джефферсона (Thomas Jefferson National Accelerator Facility) впервые за последние пятьдесят лет подобных измерений кардинально усовершенствовали методику измерения радиуса протона — элементарной положительно заряженной частицы, входящей в состав ядер всех химических элементов. Экспериментальные данные по рассеянию высокоэнергетического пучка электронов на водородной мишени получены на электронном ускорителе-рекуператоре CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) — основном инструменте лаборатории Джефферсона. Результаты «эксперимента по определению зарядного радиуса протона» (PRad), неожиданно давшие заниженную величину протонного радиуса, исследовательская группа из ~60 авторов опубликовала 6 ноября в журнале Nature.
Толчком к очередному повторению стандартных измерений, но уже по модифицированной методике с недосягаемой ранее точностью стали странные результаты измерений радиуса протона, полученные в 2010 году на так называемых «экзотических атомах» — искусственно подготовленных в лабораторных условиях атомах водорода и позже — дейтерия с вращающимся вокруг ядра мюоном вместо электрона. Результаты были настолько странные, что физики начали подозревать в них научную сенсацию, переворачивающую наши представления о фундаментальных природных взаимодействиях. Именно поэтому для такого рутинного эксперимента было выделено время и мощности ускорительного комплекса лаборатории. Этот эксперимент был запланирован одним из первых в 2016 году на ускорителе CEBAF после завершения его перестройки и модернизации.
Для определения «радиуса заряда» протона примерно в течение полувека используются две основные методики: упругое электрон-протонное рассеяние и спектроскопия атомов водорода (измерение лэмбовского сдвига). Подробнее про оба этих метода мы уже писали ранее. Получаемые при этом значения радиуса протона составляли около 0,88 фемтометров (1 фм = 10−15 м) и согласовывались между собой для обоих методов, так, что это значение давно вошло в стандартные справочники фундаментальных физических величин. Предполагалось, что в этом вопросе поставлена точка: с совершенствованием экспериментальной техники можно будет добиться уменьшения погрешности измерения этого значения, однако существенного его пересмотра не ожидалось.
В 2010 г. новая методика с использованием мюонных атомов водорода дала результаты, существенно расходящиеся с обычно измеряемыми значениями: измеренный радиус протона оказался на несколько процентов меньше, причём отклонение оказалось далеко за пределами ошибок измерений. Такое расхождение, помимо интереса само по себе, могло бы повлиять на некоторые фундаментальные результаты физики элементарных частиц, в частности, вызвало к жизни гипотезу о существовании некоего неизвестного физического взаимодействия (наряду с четырьмя известными), поэтому явление получило самостоятельное название — «загадка радиуса протона». В эксперименте 2010 года использовался метод спектроскопии водорода, но в качестве рабочего вещества использовался искусственно полученный «мюонный водород»: вместо вращающегося вокруг ядра электрона был мюон — частица, аналогичная электрону, но в 207 раз более массивная. Если радиус протона в «мюонном» водороде оказывается систематически меньшим, чем в обычном водороде с одним электроном, это может означать наличие некоторого неучтённого взаимодействия неизвестной физической природы между протоном и мюоном, которое и заставляло бы протон «сжиматься» в мюонном атоме. Некоторое время спустя те же авторы произвели измерения методом спектроскопии, но на этот раз на атомах мюонного дейтерия — тяжёлого водорода с ядром из протона и нейтрона и обращающимся вокруг ядра мюоном вместо электрона. Определённый радиус ядра в «мюонном» атоме также оказался меньше значений, полученных по той же методике на атомах дейтерия с обычным электроном, что только подтвердило существование фундаментальной проблемы, связанной с загадкой радиуса протона.
Однако, кроме утверждения об «открытии» неизвестного фундаментального взаимодействия и постулирования «новой физики» для объяснения «загадки радиуса протона» естественно было высказывать и более консервативные предположения. Объяснения, согласно принципу Оккама, не вводящие без крайней необходимости новых сущностей, предполагали либо систематическую ошибку экспериментов с мюонным водородом, или же систематический сдвиг в сторону меньших значений по мере совершенствования оборудования и методов обработки данных. В любом случае проблема радиуса протона стимулировала проведение дополнительных экспериментов в разных лабораториях, призванных подтвердить или опровергнуть новые «заниженные» значения.
В недавнем эксперименте PRad в лаборатории Джефферсона «радиус протона» был вновь измерен, на этот раз при помощи усовершенствованной методики упругого электрон-протонного рассеяния в обычном, «электронном» водороде. Для рассеяния на охлаждённой водородной мишени использовались высокоэнергетические электронные пучки (1,1 и 2,2 ГэВ) от ускорителя CEBAF лаборатории. Новизна эксперимента состояла в нескольких ключевых изменениях техники эксперимента, позволивших добиться уникальной точности. Во-первых, охлаждённый водородный газ подавался прямо на пучок электронов, то есть газовая «мишень» не была отграничена никакими окнами камеры на пути пучка, как в обычных экспериментах по рассеянию. Очевидно, это позволило уменьшить паразитное рассеяние на материале камеры. Во-вторых, для измерения параметров рассеянных электронов использовался калориметр («гибридный калориметр HyCal») в сочетании с электронным умножителем и детектором (GEM) вместо стандартного для таких экспериментов магнитного спектрометра. Использование двух независимых детекторов позволило разграничивать рассеяние электронов на протонах (необходимое по условиям эксперимента) и неизбежно присутствующее упругое электрон-электронное рассеяние пучка на электронах атомов водорода. И наконец, третьим нововведением было расположение детекторов для фиксирования очень малых углов прямого рассеяния пучка (менее одного градуса). Для измерения сечения рассеяния (то есть «площади») атомов мишени имеют значение как можно меньшие углы рассеяния, вплоть до недостижимого нулевого. Сечение рассеяния получается экстраполяцией данных на нулевой угол рассеяния, поэтому чем меньше углы, на которых удастся надёжно перехватить и измерить рассеянные электроны из пучка, тем выше результирующая точность.
Полученное значение радиуса протона 0,831 фемтометров с суммарной погрешностью около 2 % оказалось существенно ниже «табличного» значения 0,88 фм; более того, оно лежит ощутимо ниже разброса значений измерений предыдущих лет — на «расстоянии» в 2,7 стандартных отклонений ниже этих измерений. Это позволяет говорить о новом результате, не укладывающемся просто в разброс существующих измерений из-за систематических и статистических погрешностей. Очевидно, здесь сыграло ключевую роль кардинальное усовершенствование техники и точности эксперимента. Кроме того, эти данные подтверждают измерения 2010 г. для мюонного водорода, тем самым нивелируя «загадку радиуса»: получается, мюонный водород не отличается от обычного, никакого «сжатия» протона из-за неведомой силы не происходит?
Физики из лаборатории Джефферсона не были единственной группой, повторившей неожиданные результаты. Так, в сентябре 2019 г. в журнале Science вышла статья группы экспериментаторов из двух университетов Торонто, которые тоже получили заниженные значения радиуса прямым измерением лэмбовского сдвига на обычном водороде. Двумя годами ранее похожие результаты методом спектроскопии обычного водорода получили и исследователи из Германии, но их методика требовала одновременного независимого измерения ещё одной фундаментальной величины — постоянной Ридберга. Также в последние год-два стали известны работы ещё нескольких групп с тенденцией к «занижению» экспериментально полученных значений радиуса по сравнению с табличными данными. Пока что это позволяет сделать вывод о том, что мы не можем зафиксировать существенных различий фундаментальных взаимодействий между обычным и «экзотическим» атомом водорода. Вероятно, «загадка радиуса» является следствием очередного технологического скачка с усовершенствования методики измерений, и родилась из-за того, что физики для новых высокоточных измерений обратили внимание, прежде всего, на «экзотические» атомы водорода, предпочитая не повторять рутинные результаты на хорошо изученных за полвека объектах.