Міжнародна колаборація фізиків CREMA виявила нові вказівки на те, що в радіусі протона є невизначеність. Дослідники проаналізували поведінку мюонного дейтерію - частинки, в якій навколо ядра з нейтрону і протона обертається мюон. Виявилося, що зарядовий радіус дейтрона - ядра дейтерія - менше, ніж було встановлено в експериментах зі звичайним, електронним дейтерієм. Теорія передбачає, що радіус частинок постійний.
Точно така ж пара експериментів з воднем і його мюонним аналогом вказала раніше на розбіжність в радіусі протона. Експеримент може вказувати на один з двох варіантів: або неправильна теорія, що описує взаємодію в атомі, або в експериментах є помилка. Дослідження опубліковано в журналі.
Зарядовий радіус протона можна визначити по тому, як ця елементарна частинка взаємодіє з негативними зарядами. Наприклад, для цього використовують експерименти з розсіювання електронів на протоні - чим більше радіус протону, тим більше електронів з пучка буде відхилятися від свого шляху, - а також аналіз електронних переходів в атомі водню. За даними сучасних вимірювань, радіус становить 0,877 фемтометра, приблизно в мільйон мільярдів разів менше метра.
У 2010 році група фізиків повторила вимірювання зарядового радіусу в системі з більш важким носієм негативного заряду - мюоним воднем. Мюон у 207 разів масивніший за електрон і, на відміну від останнього, має час життя близько двох мікросекунд. Через більшу масу мюона точність визначення зарядового радіусу вище. В експерименті вчені вимірювали Лембовське зрушення.
Виявилося, що зарядовий радіус протона менший, ніж у ранніх вимірах, і становить 0,841 фемтометра. Після уточнення даних фізики виявили, що незалежні вимірювання однієї і тієї ж величини відрізняються на сім стандартних відхилень. Причина цього досі невідома - згідно з квантовою електродинамікою, зарядовий радіус протона повинен бути постійною величиною.
У новій роботі фізики оцінили зарядовий радіус іншої, більш масивної частинки - дейтрона (ядра атома дейтерія). За аналогією з протоном, вчені порівнювали Лембовські зрушення в електронному і мюонному дейтерії.
Лембовське зрушення - різниця в енергії між двома електронними (або мюонними) станами в атомі, позначеними 2S і 2P. Згідно з найпростішими квантово-механічними обчисленнями, ці стани повинні бути рівні за енергіями, проте на практиці вчені виявили відмінності. Ці відмінності пов'язані із взаємодією електронів з флуктуаціями вакууму, і за ними можна дуже точно визначити зарядовий радіус протона. У нових експериментах за допомогою лазера вчені змінювали стану мюону в атомі.
Вимірений радіус дейтрона виявився, як і у випадку протона, меншим, ніж існуючі оцінки. При точності в 2,5 рази вище, ніж у випадку з електронним дейтерієм, різниця між рекомендованою величиною радіусу дейтрона і виміряною склала 7,5 сигма (стандартних відхилень). Навіть у порівнянні з вимірами радіусу тільки з Лембовського зрушення (без урахування розсіювання електронів) величина відрізняється на 3,5 стандартних відхилення.
Фізики зробили на основі вимірювань нову оцінку зарядового радіусу протона. Вона виявилася ще меншою, ніж попередні: 0,8356 фемтометра. Варто зазначити, що похибка цієї величини вища, ніж у попередніх мюонних вимірах.
Вчені зазначають, що для надійної перевірки джерел розбіжностей у радіусах протону необхідно провести додаткові вимірювання. Зокрема, важливу інформацію можна отримати з розсіювання мюонів на протонах - це повинен виконати експеримент MUSE, що розробляється на базі Інституту Пауля Шерера в Швейцарії.