Нестыковку в данных о размере протона объяснили новой теорией гравитации

Ранее обнаруженное расхождение результатов опытов по измерению протона работающий в Италии и США физик Роберто Онофрио предложил объяснить при помощи новой теории квантовой гравитации. Подробности приводит Phys.org со ссылкой на публикацию в журнале Europhysics Letters.

Существует несколько методов определения радиуса протона. Основных можно выделить три: один основан на рассеянии электронного пучка на протоне, а два других используют спектроскопию (исследование испускаемых атомами квантов света). В экспериментах рассеяние электронов и спектральный анализ атома водорода (протон + электрон) дают схожие с точностью до погрешности измерения результаты. Спектроскопия же мюонного водорода (протон + мюон) у нескольких групп физиков показала значение радиуса протона примерно на четыре процента меньше, чем в предыдущих опытах.

В начале лета 2013 года эти расхождения попытались объяснить несколькими разными гипотезами, однако ни одна из них не была признана окончательной. Кратко догадки ученых можно было разделить на ошибки эксперимента, неточности расчетов и на проявление ранее неизвестных физических эффектов. Одним из таких эффектов, как указывается в новой статье, может быть увеличение энергии связи мюона с протоном за счет гравислабой силы. Увеличение энергии связи ведет к росту энергии испускаемых квантов. А это, в свою очередь, влечет ошибку при определении радиуса протона.

Гравислабая сила возникает в описанной Онофрио теории в результате объединения слабого и гравитационного взаимодействия. Согласно этой концепции, гравитация начинает проявлять себя так же, как слабое взаимодействие при переходе к масштабу, сопоставимому с размером протона. Ее вклад становится намного больше, чем в классической ньютоновой картине, особенно с учетом того, что мюон и в рамках Стандартной модели способен к слабому взаимодействию.

Кроме того, ключевую роль начинает играть не распределение зарядов внутри протона (то есть кварков), а распределение массы. Масса протона, как гласит Стандартная модель, обусловлена в первую очередь не массой трех составляющих протон кварков (на них приходится порядка двух процентов), а массой связывающего кварки глюонного облака. Размер этого облака не совпадает с зарядовым радиусом протона, который измерялся во всех экспериментах.

Предположения Онофрио можно проверить путем экспериментального измерения лэмбовского сдвига: смещения спектральных линий, которое возникает из-за взаимодействия частиц с так называемыми нулевыми колебаниями поля. Этот сдвиг хорошо изучен в случае электронов и электромагнитного поля, однако физик представил расчеты, по которым аналогичный сдвиг должен наблюдаться у мюона в гравислабом поле. Измерить его можно будет в опыте с мюонным атомом, ядро которого состоит не из одного протона, а пары из протона и нейтрона: такой мюонный дейтерий уже реально получить при помощи современных методов.

Мюоны принадлежат к тому же семейству элементарных частиц (лептоны), что и электроны. Их масса примерно в 207 раз больше и они нестабильны: период полураспада мюона около двух микросекунд. Еще одним представителем лептонов является тау-частица, которая почти в 18 раз тяжелее мюона и имеет еще меньшее, порядка 10-13 секунд время жизни. Каждому типу лептонов соответствует своя античастица и свой тип нейтрино.