Загадка похудевшего протона

Хотя общепринятая в физике элементарных частиц так называемая Стандартная модель является весьма стройной теоретической конструкцией, а предсказанные ею явления и эффекты с высокой точностью подтверждаются экспериментально, она все же не может считаться последним и окончательным словом в этой области знаний. И не только потому, что, описывая электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия, Стандартная модель не объясняет гравитацию, но еще и потому, что в последние годы исследователи в ходе сложных экспериментов все чаще получают результаты, не поддающиеся интерпретации в ее рамках.

Здесь можно упомянуть, скажем, о нейтринных осцилляциях, об асимметрии материи и антиматерии, о темном веществе и темной энергии и ряде других наблюдений, объяснить которые Стандартная модель не в состоянии. Неудивительно, что разработка так называемой "новой физики", то есть физики за пределами Стандартной модели, ведется сегодня чрезвычайно активно.

Старый знакомый протон

Прежде всего, это касается, конечно же, поиска и изучения разного рода экзотических частиц вроде бозона Хиггса, но не только. Теперь весьма неожиданные результаты получены и в отношении такой, казалось бы, хорошо изученной частицы как протон. Протон - частица, входящая в состав атомного ядра. Таких частиц, образующих атомное ядро и называющихся нуклонами, всего две: протон и нейтрон. Они по всем параметрам очень похожи друг на друга, с той лишь разницей, что протон - положительно заряженная частица, а нейтрон электрического заряда не несет.

Полвека назад считалось, что протон и нейтрон - неделимые, действительно элементарные частицы, однако сегодня известно, это не так. Они состоят из так называемых кварков - частиц, обладающих электрическим зарядом, кратным 1/3 заряда электрона, и не встречающихся в свободном состоянии. Существует 6 сортов (или, как их именуют физики, ароматов) кварков: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Протон состоит из одного нижнего и двух верхних кварков, нейтрон - из одного верхнего и двух нижних.

Два метода - один результат

Понятно, что при наличии такой структуры представлять себе нуклон в виде миниатюрного шарика не вполне верно, и это, конечно, затрудняет определение линейных размеров частицы. Тем не менее, такие измерения были выполнены, и даже не одним, а двумя разными методами. Альдо Антоньини (Aldo Antognini), научный сотрудник Швейцарской высшей технической школы Цюриха, поясняет: "Первый метод, примененный для определения размеров протона, состоял в бомбардировке водорода быстрыми электронами. Ядра атомов водорода - то есть протоны - рассеивали пучок электронов, и углы отклонения электронов от первоначальной траектории позволили определить приблизительный размер протона. За эти исследования в 1961 году была присуждена Нобелевская премия".

Позже был предложен второй метод, заключавшийся в облучении водородных атомов лазером. Анализируя то, как единственный электрон водорода реагирует на лазерные импульсы, исследователи смогли вычислить величину ядра. Оба метода дали идентичные результаты, и ученые решили, что диаметр протона (если все же принять его за шар) составляет примерно 0,88 фемтометра (фемтометр - это десять в минус пятнадцатой степени метра, то есть одна миллионная доля одной миллионной доли миллиметра).

Атом водорода с мюоном вместо электрона

Все было отлично до тех пор, пока Альдо Антоньини и его коллеги не предложили третий метод измерения размера протона. "В нашем эксперименте мы использовали мюонный водород. Это весьма экзотическая разновидность водорода, в атоме которого электрон заменен мюоном, - поясняет ученый. - У мюона такой же заряд, что и у электрона, но масса в 207 раз больше, поэтому мюонная оболочка такого атома водорода оказывается гораздо ближе к ядру, нежели электронная оболочка обычного водородного атома. Именно это и позволило нам с высокой точностью определить размер протона".

Стоит ли говорить о том, каких невероятных трудов это стоило! Мюоны просто так в природе практически "не водятся", так что исследователи получали их с помощью ускорителя, а затем бомбардировали ими протоны. Время от времени случалось, что протон захватывал пролетающий мимо мюон, образуя атом мюонного водорода. Но мюон - частица нестабильная, продолжительность ее жизни составляет чуть больше 2 микросекунд, затем она распадается. Таким образом, на измерения у физиков было всего лишь 2 микросекунды.

Ошибка эксперимента или новая физика?

Однако эксперимент все же удался. Но вот его результаты, опубликованные в журнале Science, изрядно озадачили ученых. "Мы были очень удивлены, поскольку получили значение, почти на 5 процентов меньшее прежнего: 0,84 вместо 0,88 фемтометра, - говорит Альдо Антоньини. - Это весьма существенное отклонение. Для его объяснения есть только две возможности: либо в наши эксперименты вкралась какая-то грубая ошибка, либо тут проявилась новая физика".

Чтобы прояснить ситуацию, потребуется обширная серия новых экспериментов. Возможно, при этом исследователи выявят неточности того или иного метода измерения и подтвердят либо прежнее, либо новое значение диаметра протона. Но не исключено также, что будет подтверждена зависимость размера протона от метода измерения: если использовать для этих целей электроны - он чуть больше, если мюоны - чуть меньше. Такое различие в поведении протона по отношению к электронам и мюонам противоречило бы Стандартной модели и потребовало бы от теоретиков немало находчивости для объяснения феномена.