Розмір атомного ядра менше, ніж вважали?

Ядро дейтерію менше, ніж припускали раніше, – свідчать нові дослідження. Ці вдруге нові обчислення вказують на відхилення радіуса атомного ядра від загальноприйнятого значення. Ці похибки означають, що одна з базових фізичних величин – радіус протона – досі була визначена неправильно, інформують вчені в журналі Science.
Якщо це підтвердиться, доведеться підкоригувати чимало природних констант.
Протон – одна з фундаментальних складових матерії, адже разом з нейтронами утворює атомне ядро. Властивості протонів лежать в основі важливих фізичних незмінних, зокрема це стосується постійної Рідберга, завдяки якій визначають спектральні лінії деяких елементів. Тобто, коли значення, наприклад, розміру протона, яке вважають загальноприйнятим, називають хибним або неточним, наступають серйозні наслідки.
Власне це сталося в 2010 році, коли за допомогою лазерної спектроскопії вчені переміряли радіус протона. При цьому замість визнаної до величини (0,8768 фемтометра), дослідники отримали позначку 0,84184 фемтометра. Тобто протон був меншим, ніж раніше припускали. Ці результати вимірювання призвели до неспокою і затятим дискусій.
Ймовірно, що дані були помилковими? Або старе значення було правильним? 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 Рендоьлф Підлога (Randolf Pohl) з Університету Майнца.– Але пройшли роки, і до цього дня не сталося нічого подібного».
Зате нові виміри тільки поглиблюють таємницю протонового радіусу. Нещодавно Поль і його колеги заново визначили радіус іншого атомного ядра, на цей раз ядра дейтерію – дейтрона . Ця частка складається з протона і нейтронів, тобто є найпростішим із складових атомних ядер.
І знову нові значення, отримані завдяки лазерної спектроскопії, відрізняються від старих даних. Раніше радіус дейтрона вважали рівним 2,1424 фемтометрам, а тепер дослідники отримали значення 2, 12562 фемтометров. «Це підтверджує, що протоновий радіус менше, як і мюонним воднем. тобто таємниця радіусу навколо протона дедалі поглиблюється», – вважає Поль.
У своїх дослідженнях вчені користувалися лазерної спектроскопією. Для цього у формулі важкої води вони замінили електрон дейтерію на мюон. Ця елементарна частинка також негативно заряджена і дуже схожа на електрон, але майже в 200 разів важче від нього. У зв’язку з цим мюони рухаються значно ближче до ядра атома, а шляху їх руху сильно залежать від розміру ядра.
З надскладною системою імпульсного лазера вчені надали мюону енергії (при правильних довжин хвиль мюон тимчасово може підніматися на більш високий енергетичний рівень). Падаючи назад в нормальний стан, він відправляє рентгенівські фотони. Враховуючи їх кількість можна визначити енергетичну дистанцію мюонним шляхів навколо ядра, а потім і радіус дейтрона.
Певний завдяки новому методу радіус дейтрона знову підтверджує, що протон має бути менше, ніж припускали протягом тривалого часу. «Можна було б сказати, це припущення тепер підтвердили вже двічі», – вважає Поль.
Чому нові значення відрізняються від старих, неодноразово вимірюваних довжин, залишається нез’ясованим. Вчені схильні вважати, що допустили помилки, але не тепер. «У тому, що наш метод лазерної спектроскопії може помилитися, ніхто з товариства не вірить, – пояснює співавтор Альдо Антогнини (Aldo Antognini) з Інституту імені Підлоги Шеррера. – Зате легко розгадати таємницю, якщо взяти до уваги мінімальну експериментальну проблему водневої спектроскопії». Цим методом отримали частину попередніх даних про розмірі протона і дейтрона. Вже роки вчені працюють над вдосконаленням цього та інших методів вимірювання радіуса елементарних частинок.
Якщо з’ясується, що воднева спектроскопія раніше демонстрували помилкові показники, це буде мати серйозні наслідки. «Це буде означати, що сталу Рідберга потрібно трішки підкоригувати», – пояснює Антогнини.
Серед усіх фізичних незмінних константа Рідберга була визначена з високою точністю, відома восьма цифра після коми. Якщо ж підтвердиться, що радіус протона менше, зміниться і остання цифра після коми. Це вплине на багато областей фізики і призведе до незначних корректурам природних констант.