Zagadka promień protonu
Zagadka promienia protonu jest niewyjaśnionym problemem fizyki związanym z rozmiarem protonu . Historycznie promień ładunku protonu mierzono dwiema niezależnymi metodami, które zbiegły się do wartości około 0,877 femtometra (1 fm = 10-15 M). Wartość ta została zakwestionowana w eksperymencie z 2010 roku przy użyciu trzeciej metody, która dała promień o około 4% mniejszy niż ten, wynoszący 0,842 femtometra. Nowe wyniki eksperymentów zgłoszone jesienią 2019 r. zgadzają się z mniejszym pomiarem, podobnie jak ponowna analiza starszych danych opublikowana w 2022 r. Chociaż niektórzy uważają, że ta różnica została rozwiązana, opinia ta nie jest jeszcze powszechnie rozpowszechniona.
Problem
Przed 2010 rokiem promień ładunku protonu mierzono za pomocą jednej z dwóch metod: jednej opartej na spektroskopii i drugiej opartej na rozpraszaniu jądrowym.
Metoda spektroskopii
Metoda spektroskopii wykorzystuje poziomy energetyczne elektronów krążących wokół jądra. Dokładne wartości poziomów energetycznych są wrażliwe na rozkład ładunku w jądrze. W przypadku wodoru, którego jądro składa się tylko z jednego protonu, pośrednio mierzy to promień ładunku protonu. Pomiary poziomów energetycznych wodoru są obecnie tak precyzyjne, że dokładność promienia protonu jest czynnikiem ograniczającym porównywanie wyników eksperymentalnych z obliczeniami teoretycznymi. Ta metoda daje promień protonu około 0,8768(69) fm , z około 1% względną niepewnością.
Rozpraszanie jądrowe
Metoda jądrowa jest podobna do eksperymentów Rutherforda z rozpraszaniem , które ustaliły istnienie jądra. Małe cząstki, takie jak elektrony, można wystrzelić w proton, a mierząc sposób rozpraszania elektronów, można wywnioskować rozmiar protonu. Zgodnie z metodą spektroskopii daje to promień protonu około 0,8775(5) fm .
Eksperyment z 2010 roku
W 2010 roku Pohl i in. opublikował wyniki eksperymentu opartego na wodorze mionowym w przeciwieństwie do normalnego wodoru. Koncepcyjnie jest to podobne do metody spektroskopii. Jednak znacznie większa masa mionu powoduje, że krąży on 207 razy bliżej jądra wodoru niż elektron, przez co jest znacznie bardziej wrażliwy na wielkość protonu. Otrzymany promień zapisano jako 0,842(1) fm , 5 odchyleń standardowych (5 σ ) mniejsze niż poprzednie pomiary. Nowo zmierzony promień jest o 4% mniejszy niż poprzednie pomiary, które uważano za dokładne w granicach 1%. (Nowa granica niepewności pomiaru wynosząca zaledwie 0,1% ma znikomy wpływ na rozbieżność.)
Od 2010 roku dodatkowe pomiary przy użyciu elektronów poprzednimi metodami nieznacznie zmniejszyły szacowany promień do 0,8751(61) fm , ale jeszcze bardziej zmniejszając niepewność, niezgodność z eksperymentem z wodorem mionowym pogorszyła się do ponad 7 σ .
Kontynuacja eksperymentu Pohla i in. w sierpniu 2016 r. użył deuteru do stworzenia deuteru mionowego i zmierzył promień deuteronu. Eksperyment ten pozwolił pomiarom być 2,7 razy dokładniejszy, ale także wykazał rozbieżność 7,5 odchylenia standardowego mniejszą niż oczekiwana wartość. W 2017 roku grupa Pohla przeprowadziła kolejny eksperyment, tym razem wykorzystując atomy wodoru wzbudzone przez dwa różne lasery. Mierząc energię uwalnianą, gdy wzbudzone elektrony spadały z powrotem do stanów o niższej energii, stała Rydberga można obliczyć iz tego wywnioskować promień protonu. Wynik jest ponownie o około 5% mniejszy niż ogólnie przyjęty promień protonu. W 2019 roku w innym eksperymencie zgłoszono pomiar wielkości protonu metodą niezależną od stałej Rydberga — jego wynik, 0,833 femtometra, ponownie zgadzał się z mniejszą wartością z 2010 roku.
Proponowane uchwały
Anomalia pozostaje nierozwiązana i jest aktywnym obszarem badań. Jak dotąd nie ma rozstrzygającego powodu, by wątpić w ważność starych danych. Bezpośrednim problemem jest to, że inne grupy mogą odtworzyć anomalię.
Niepewny charakter dowodów eksperymentalnych nie powstrzymał teoretyków przed próbami wyjaśnienia sprzecznych wyników. Wśród postulowanych wyjaśnień znajdują się siła trzech ciał , interakcje między grawitacją a oddziaływaniem słabym lub interakcja zależna od smaku , grawitacja o wyższym wymiarze , nowy bozon i hipoteza quasi-wolnego
π +
.
Artefakt pomiarowy
Randolf Pohl, pierwotny badacz zagadki, stwierdził, że chociaż byłoby „fantastycznie”, gdyby zagadka doprowadziła do odkrycia, najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem nie jest nowa fizyka, ale jakiś artefakt pomiarowy. Jego osobiste założenie jest takie, że poprzednie pomiary źle zmierzyły stałą Rydberga i że obecny oficjalny rozmiar protonu jest niedokładny.
Kwantowe obliczenia chromodynamiczne
W artykule Belushkina i in. (2007), uwzględniając różne ograniczenia i perturbacyjną chromodynamikę kwantową , przewidziano mniejszy promień protonu niż przyjęte wówczas 0,877 femtometra.
Ekstrapolacja promienia protonu
Artykuły z 2016 roku sugerowały, że problem dotyczył ekstrapolacji, które były zwykle używane do wyodrębnienia promienia protonu z danych rozpraszania elektronów, chociaż to wyjaśnienie wymagałoby również problemu z pomiarami przesunięcia atomowego Lamba.
Metoda analizy danych
W jednej z prób rozwiązania zagadki bez nowej fizyki Alarcón i in. (2018) z Jefferson Lab zaproponowali, że inna technika dopasowania eksperymentalnych danych rozpraszania, w sposób uzasadniony zarówno teoretycznie, jak i analitycznie, daje promień ładunku protonu z istniejących danych rozpraszania elektronów, który jest zgodny z pomiarem wodoru mionowego. W efekcie podejście to przypisuje przyczynę zagadki promienia protonu brakowi zastosowania funkcji umotywowanej teoretycznie do wyodrębnienia promienia ładunku protonu z danych eksperymentalnych. W innym niedawnym artykule zwrócono uwagę, w jaki sposób prosta, ale uzasadniona teorią zmiana poprzednich dopasowań również da mniejszy promień.
pomiary 2019
We wrześniu 2019 roku Bezginov i in. zgłosili ponowne pomiary promienia ładunku protonu dla elektronowego wodoru i znaleźli wynik zgodny z wartością Pohla dla wodoru mionowego. W listopadzie W. Xiong i in. zgłosili podobny wynik przy użyciu bardzo niskiego rozpraszania elektronów przenoszących pęd.
Ich wyniki potwierdzają mniejszy promień ładunku protonu, ale nie wyjaśniają, dlaczego wyniki sprzed 2010 roku okazały się większe. Jest prawdopodobne, że przyszłe eksperymenty będą w stanie zarówno wyjaśnić, jak i rozwiązać zagadkę promienia protonu.
analiza 2022 r
Ponowna analiza danych eksperymentalnych, opublikowana w lutym 2022 r., dała wynik zgodny z mniejszą wartością około 0,84 fm.