Радиус протона величина постоянная

После проведённого Полем девять лет назад измерения мюонного водорода команда физиков во главе с Эриком Хассельсом из Йоркского университета в Торонто решила заново измерить протон в обычном, «электронном» водороде. В конце концов, это удалось: Хессельс и его коллеги установили, что протон имеет радиус 0,833 фемтометра плюс-минус 0,01 — результат, точно соответствующий полученному Полем. По сравнению с обоими этими измерениями, точность ранее проведённых измерений ниже, и это вынуждает сделать вывод, что протон не меняет свой размер в зависимости от контекста исследований; скорее, всё дело в ущербности старых измерений с использованием электронного водорода.

Исследование радиуса протона не было рутинной работой. Чтобы определить его значение, Хессельсу и его коллегам пришлось измерять лэмбовский сдвиг — разницу между первым и вторым уровнями энергии возбуждённого водорода, которые называют состояниями 2S и 2P. Как вспоминает Хессельс, желание провести измерение лэмбовского сдвига появилось у него ещё в 80-х годах ХХ века, когда он был студентом, и, наконец, благодаря загадке радиуса протона у него появился стимул. «Это чрезвычайно сложное измерение, — подчеркнул он, — и, чтобы им заняться, нужна была веская причина».

Состояния 2S и 2P атома водорода показывают, в каком месте в любой момент времени следует искать электрон. На данных рисунках изображены возможные местоположения электрона в каждом из указанных состояний
Состояния 2S и 2P атома водорода показывают, в каком месте в любой момент времени следует искать электрон. На данных рисунках изображены возможные местоположения электрона в каждом из указанных состояний; в центре обоих рисунков — протон (он никак не отмечен). Когда атом водорода находится в состоянии 2S, электрон перекрывает протон и в течение ненулевого промежутка времени находится внутри него. Состояние 2P означает, что электрон и протон никогда не перекрываются.

Каким образом лэмбовский сдвиг, получивший название в честь американского физика Уиллиса Лэмба (Willis Lamb), который первым попытался измерить его в 1947 году, позволяет определить радиус протона? Вращаясь в состоянии 2S вокруг ядра атома водорода, электрон часть своего времени проводит внутри протона (а это — сгусток частиц, называемых кварками и глюонами, с большим количеством пустого пространства). Когда электрон находится внутри протона, тот благодаря своему положительному заряду растягивает электрон в противоположных направлениях, частично теряя свою силу. В результате величина электрического притяжения между протоном и электроном становится меньше, уменьшая энергию, которая обеспечивает целостность атома. Чем больше протон, тем больше времени электрон находится внутри него и тем слабее связан с ним, а значит, тем легче отскакивает.

Пустив луч лазера в облако газообразного водорода, Хессельс и его команда заставили электроны перейти из состояния 2S в состояние 2P, при котором электрон никогда не перекрывает протон. Определение энергии, необходимой электрону для совершения такого перехода, показало, насколько слабо он связан в состоянии 2S, когда частично попадает внутрь протона. А это прямо говорит о размере последнего.

В 2010 году Поль действовал похожим образом, определяя радиус протона с помощью лэмбовского сдвига мюонного водорода. Но поскольку мюон тяжелее электрона, в состоянии 2S он прижимается к протону плотнее. Это означает, что он дольше находится внутри протона, делая лэмбовский сдвиг в мюонном водороде в несколько миллионов раз более чувствительным к радиусу протона, чем в нормальном водороде.

Работавшему с нормальным водородом, Хессельсу, чтобы выяснить точное значение радиуса протона, пришлось измерять разность энергий между 2S и 2P с точностью до миллионных долей.

Согласно результату, полученному Хессельсом, в ходе более ранних попыток измерить радиус протона в электронном водороде проявилась тенденция завышать истинное значение. Почему — неясно.

Источник: https://www.quantamagazine.org/physicists-finally-nail-the-protons-size-and-hope-dies-20190911

А за 9 лет на базе этой ошибки как бы учёные уже нагородили кучу теорий «новой физики», таков уж их обычай…

1 Комментарий

  1. Сергей

    Атом водорода — физико-химическая система, состоящая из атомного ядра, несущего элементарный положительный электрический заряд, и электрона, несущего элементарный отрицательный электрический заряд. В состав атомного ядра как правило входит протон или протон с одним или несколькими нейтронами, образуя изотопы водорода. Электрон преимущественно находится в тонком концентрическом шаровом слое вокруг атомного ядра, образуя электронную оболочку атома. Наиболее вероятный радиус электронной оболочки атома водорода в стабильном состоянии равен боровскому радиусу a Атом водорода имеет специальное значение в квантовой механике и релятивистской квантовой механике, поскольку для него проблема двух тел имеет точное или приближенное аналитическое решение. Эти решения применимы для разных изотопов водорода, с соответствующей коррекцией.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *