Когда физики пересматривают свои законы, никакого глобального катаклизма, как правило, не происходит. Однако когда речь идёт о фундаментальных постоянных, на это обращают внимание даже люди, далёкие от науки. Недавно учёный мир всколыхнуло известие о том, что радиус протона, вписанный во все учебники, был посчитан неверно. Водород — один из самых распространённых элементов во Вселенной, и в силу простоты его строения (один электрон кружит вокруг одного протона) атомы водорода, как и их составляющие, изучены, пожалуй, как никакие другие. По крайней мере, так до недавнего времени думали физики.
Однако нынешнее исследование перевернуло всё с ног на голову, ещё раз показав человечеству, что, несмотря на весь научный потенциал и накопленный опыт, мы не слишком хорошо разбираемся даже в элементарных вещах.
Героем сенсационной научной работы стал протон. У него нет какой-либо твёрдой оболочки. Это не орех со скорлупой, радиус которой можно измерить напрямую. Но о размерах частицы можно судить по взаимодействию протона с соседом-электроном.
Революционная статья опубликована в журнале Nature и, конечно же, удостоилась чести быть вынесенной на обложку (иллюстрация Nature).
Революционная статья опубликована в журнале Nature и, конечно же, удостоилась чести быть вынесенной на обложку (иллюстрация Nature).
Дело в том, что электрон, обращаясь вокруг протона, может занимать только определённые дискретные энергетические уровни, так называемые орбитали. Часть из них зависит от размеров протона. Потому, определяя "положение" электрона, можно высчитать и радиус положительно заряженной частицы. С 1960-х годов подобные измерения проводились множество раз. Последние данные показали: радиус протона равен 0,8768 фемтометра (1 фм = 10-15м).
Чтобы удостовериться в своих прежних выводах, а также подтвердить постулаты квантовой электродинамики (QED), физики с 1969 года мечтали провести эксперимент с изменённым атомом водорода — в нём электрон должен был быть заменён на мюон.
Эта неустойчивая элементарная частица с отрицательным зарядом в 200 раз тяжелее электрона. "Из-за большей массы мюон вращается вокруг протона на более близком расстоянии, а значит, и более чувствителен к его радиусу", — говорит один из исследователей Альдо Антоньини (Aldo Antognini) из швейцарского института Пауля Шеррера (PSI). То есть мюон позволяет более точно определить структуру атома.
Проблема заключалась в том, что на энергетическом уровне, который необходимо было "поймать" учёным, частица находится в течение всего лишь пары микросекунд. И лишь недавнее развитие технологий позволило команде из 32 физиков, возглавляемой доктором Рандольфом Полем (Randolf Pohl) из института квантовой оптики Макса Планка, провести первые эксперименты с мюонным водородом.
Читать полностью
