Загадка радиуса протона - Proton radius puzzle

В головоломка радиус протона без ответа проблема в физике в отношении размера протон.[1] Исторически протон радиус заряда был измерен двумя независимыми методами, которые сходились к значению около 0,877 фемтометра (1 фм = 10−15 м). Это значение было оспорено экспериментом 2010 года с использованием третьего метода, который дал радиус примерно на 4% меньше, чем этот, 0,842 фемтометра.[2] Новые экспериментальные результаты, опубликованные осенью 2019 года, согласуются с меньшим измерением. Хотя некоторые считают, что это различие было устранено[3], это мнение еще не принято.[4][5]

Проблема

До 2010 года зарядовый радиус протона измерялся одним из двух методов: одним методом спектроскопии и ядерным рассеянием.[6]

Метод спектроскопии

В методе спектроскопии используются уровни энергии электронов, вращающихся вокруг ядра. Точные значения уровней энергии чувствительны к радиусу ядра. Для водорода, ядро ​​которого состоит только из одного протона, это косвенно измеряет радиус протона. Измерения уровней энергии водорода теперь настолько точны, что радиус протона является ограничивающим фактором при сравнении экспериментальных результатов с теоретическими расчетами. Этот метод дает протон с радиусом около (8.768±0.069)×10−16 м (или же 0.8768±0.0069 FM) с относительной погрешностью около 1%.[2]

Ядерное рассеяние

Ядерный метод похож на Эксперименты Резерфорда по рассеянию что установило существование ядра. Маленькие частицы, такие как электроны, могут стрелять в протон, и, измеряя, как электроны рассеиваются, можно сделать вывод о размере протона. В соответствии с методом спектроскопии это дает протон с радиусом около (8.775±0.005)×10−16 м (или же 0.8775 FM), .[7]

2010 эксперимент

В 2010 году Pohl et al. опубликовал результаты эксперимента, опираясь на мюонный водород в отличие от обычного водорода. Концептуально это похоже на метод спектроскопии. Однако из-за гораздо большей массы мюона он движется по орбите в 207 раз ближе, чем электрон, к ядру водорода, поэтому он гораздо более чувствителен к размеру протона. Результирующий радиус записывался как 0.842±0,001 фм, 5 Стандартное отклонение (5σ) меньше, чем предыдущие измерения.[2][8] Вновь измеренный радиус на 4% меньше, чем предыдущие измерения, точность которых считалась не более 1%. (Предел неопределенности нового измерения всего 0,1% вносит незначительный вклад в расхождение.)[9]

С 2010 г. дополнительные измерения с использованием электронов немного снизили расчетный радиус до (8.751±0.061)×10−16 м (0.8751±0.0061 FM),[10] но при еще большем уменьшении неопределенности разногласия усилились до более чем 7σ.

Последующий эксперимент Pohl et al. в августе 2016 г. использовали дейтерий атом, чтобы создать мюонный дейтерий и измерил радиус дейтрона. Этот эксперимент позволил сделать измерения в 2,7 раза более точными, но также обнаружил расхождение на 7,5 стандартных отклонений меньше ожидаемого значения.[11][12] В 2017 году группа Поля провела еще один эксперимент, на этот раз с использованием атомов водорода, возбужденных двумя разными лазерами. Измеряя энергию, выделяемую, когда возбужденные электроны возвращаются в состояния с более низкой энергией, Постоянная Ридберга можно вычислить, и отсюда вывести радиус протона. Результат снова на ~ 5% меньше общепринятого радиуса протона.[6][13] В 2019 году в другом эксперименте сообщалось об измерении размера протона с использованием метода, который не зависел от Постоянная Ридберга - его результат 0,833 фемтометра еще раз совпал с меньшим значением 2010 года.[14]

Предлагаемые резолюции

Аномалия остается нерешенной и является активной областью исследований. Пока нет убедительных причин сомневаться в достоверности старых данных.[6] Непосредственная забота заключается в том, чтобы другие группы воспроизвели аномалию.[6]

Неопределенный характер экспериментальных данных не остановил теоретиков от попыток объяснить противоречивые результаты. Среди постулируемых объяснений есть трехчастная сила,[15] взаимодействие между гравитацией и слабая сила, или аромат -зависимое взаимодействие,[16][8] высшее измерение сила тяжести,[17] новый бозон,[18] и квазисвободный
π+
 гипотеза.[а]

Артефакт измерения

Рандольф Поль, первый исследователь загадки, заявил, что, хотя было бы «фантастически», если бы загадка привела к открытию, наиболее вероятным объяснением будет не новая физика, а какой-то артефакт измерения. Его личное предположение состоит в том, что прошлые измерения ошибочно оценили Постоянная Ридберга и что текущий официальный размер протона неточен.[20]

Квантовый хромодинамический расчет

В статье Белушкина и другие. (2007)[21] включая различные ограничения и пертубативный квантовая хромодинамика предсказал меньший радиус протона, чем 0,877 фемтометра, который был принятым значением в то время.[21]

Экстраполяция радиуса протона

В статьях 2016 года предполагалось, что проблема заключалась в экстраполяциях, которые обычно использовались для извлечения радиуса протона из данных рассеяния электронов.[22][23][24] хотя это объяснение потребовало бы, чтобы была также проблема с измерениями атомного сдвига Лэмба.

Метод анализа данных

В одной из последних попыток решить загадку без новой физики, Аларкон, и другие. (2018),[25] в Jefferson Labs предложили, чтобы другой метод согласования экспериментальных данных по рассеянию теоретически, а также аналитически обоснованным способом дает радиус заряда протона из существующих данных по рассеянию электронов, который согласуется с измерением мюонного водорода.[25] По сути, этот подход объясняет причину загадки радиуса протона неспособностью использовать теоретически обоснованную функцию для извлечения радиуса заряда протона из экспериментальных данных. В другой недавней статье показано, как простое, но теоретически мотивированное изменение предыдущей подгонки также дает меньший радиус.[26]

Проблемы релятивистской системы отсчета

Другие исследователи предположили, что анализ, использованный для электронного зарядового радиуса протона, может не учитывать должным образом остальные системы отсчета различных компонентов экспериментов в свете специальной теории относительности.[27][28] В качестве возможного решения были также предложены факторы поляризации в мюонном водороде, которые не являются существенными для обычного водорода.[29]

Еще одна статья в апреле 2019 года предположила, что шкала относительности может дать ответ на основе релятивистских размеров протонов и мюонов.[30]

Измерения 2019

В сентябре 2019 года Безгинов и соавт. сообщил о повторном измерении зарядового радиуса протона для электронного водорода и нашел результат, согласующийся со значением Поля для мюонного водорода.[31] В ноябре W. Xiong et al. сообщили о аналогичном результате, используя рассеяние электронов с чрезвычайно низким переданным импульсом.[32]

Их результаты подтверждают меньший радиус заряда протона, но не объясняют, почему результаты до 2010 года оказались больше. Вполне вероятно, что будущие эксперименты смогут как объяснить, так и решить загадку радиуса протона.[33]

Сноски

  1. ^ Согласно отчету Лестоуна (2017),[19] «Лэмбовские сдвиги мюонного водорода (μp) и мюонного дейтерия (μd) могут быть получены с точностью выше 1% с помощью простых методов. Малость нечеткости мюонов предполагает, что необходимо вычислить связанные с ними лэмбовские сдвиги, включая некоторые аспекты внутренних степеней свободы протона. Если предположить, что заряд протона содержится в квазисвободном
    π+
     для половины времени расчетные лэмбовские сдвиги μp и μd согласуются с экспериментом без необходимости изменения радиуса протона. ... В качестве простого приближения мы здесь предполагаем, что можно представить себе, что протон тратит примерно половину своего времени в качестве нейтрона с ближайшим квазисвободным
    π+
     с инерцией примерно 140 МэВ ».[19]

Рекомендации

  1. ^ Krauth, J. J .; Schuhmann, K .; Abdou Ahmed, M .; Amaro, F.D .; Amaro, P .; и другие. (2 июня 2017 г.). Загадка радиуса протона. 52-я Rencontres de Moriond EW 2017. Ла-Туиль, Валле-д'Аоста. arXiv:1706.00696. Bibcode:2017arXiv170600696K. Презентационные слайды (19 марта 2017 г.).
  2. ^ а б c Поль Р., Антоньини А., Нез Ф, Амаро Ф. Д., Бирабен Ф. и др. (Июль 2010 г.). «Размер протона» (PDF). Природа. 466 (7303): 213–216. Bibcode:2010Натура.466..213P. Дои:10.1038 / природа09250. PMID  20613837. S2CID  4424731.
  3. ^ Хаммер, Ганс-Вернер; Meißner, Ulf-G. (2020). «Радиус протона: от головоломки к точности». Научный бюллетень. 65 (4): 257–258. arXiv:1912.03881. Дои:10.1016 / j.scib.2019.12.012. S2CID  208909979.
  4. ^ Карр, Жан-Филипп; Маршан, Доминик (2019). "Прогресс в решении загадки протонного радиуса". Природа. 575 (7781): 61–62. Bibcode:2019Натура.575 ... 61K. Дои:10.1038 / d41586-019-03364-z. PMID  31695215.
  5. ^ Хилл, Хизер (6 ноября 2019 г.). «Загадка радиуса протона может быть решена». Физика сегодня. Дои:10.1063 / PT.6.1.20191106a. ISSN  1945-0699.
  6. ^ а б c d Давиде Кастельвекки (5 октября 2017 г.). «Загадка размером с протон становится все глубже». Природа.
  7. ^ Больной I, Траутманн Д. (2014). «Среднеквадратичные радиусы протонов и рассеяние электронов». Физический обзор C. 89 (1): 012201. arXiv:1407.1676. Bibcode:2014PhRvC..89a2201S. Дои:10.1103 / PhysRevC.89.012201. S2CID  118615444.
  8. ^ а б Зыга, Лиза (26 ноября 2013 г.). «Загадку радиуса протона можно решить с помощью квантовой гравитации». Phys.org. Получено 2 сентября, 2016.
  9. ^ Карлсон CE (май 2015 г.). "Загадка протонного радиуса". Прогресс в физике элементарных частиц и ядерной физике. 82: 59–77. arXiv:1502.05314. Bibcode:2015ПрПНП..82 ... 59С. Дои:10.1016 / j.ppnp.2015.01.002. S2CID  54915587.
  10. ^ «CODATA Рекомендуемые на международном уровне значения фундаментальных физических констант 2014 года: среднеквадратичный радиус заряда протона. рп".
  11. ^ Pohl R, et al. (2016). «Лазерная спектроскопия мюонного дейтерия» (PDF). Наука. 353 (6300): 669–673. Bibcode:2016Научный ... 353..669P. Дои:10.1126 / science.aaf2468. HDL:10316/80061. PMID  27516595. S2CID  206647315.[постоянная мертвая ссылка ]
  12. ^ «Загадка протонного радиуса углубляется». ЦЕРН Курьер. 16 сентября 2016 г. После того, как в 2010 году вышло наше первое исследование, я боялся, что какой-нибудь опытный физик свяжется с нами и укажет на нашу большую ошибку. Но прошли годы, а пока ничего подобного не произошло.
  13. ^ Бейер, Аксель; Майзенбахер, Лотар; Матвеев, Артур; Поль, Рандольф; Хабарова, Ксения; Гринин Алексей; Ламур, Тобиас; Йост, Дилан С.; Hänsch, Theodor W .; Колачевский, Николай; Удем, Томас (2017). «Константа Ридберга и размер протона из атомарного водорода». Наука. 358 (6359): 79–85. Bibcode:2017Научный ... 358 ... 79B. Дои:10.1126 / science.aah6677. PMID  28983046. S2CID  206652697.
  14. ^ Безгинов, Н .; Valdez, T .; Horbatsch, M .; Марсман, А .; Vutha, A.C .; Хессельс, Э. А. (5 сентября 2019 г.). «Измерение лэмбовского сдвига атомарного водорода и зарядового радиуса протона». Наука. 365 (6457): 1007–1012. Bibcode:2019Научный ... 365.1007B. Дои:10.1126 / science.aau7807. PMID  31488684. S2CID  201845158.
  15. ^ Karr, J .; Хилико, Л. (2012). «Почему физика трех тел не решает загадку протонного радиуса». Письма с физическими проверками. 109 (10): 103401. arXiv:1205.0633. Bibcode:2012PhRvL.109j3401K. Дои:10.1103 / PhysRevLett.109.103401. PMID  23005286. S2CID  12752418.
  16. ^ Онофрио, Р. (2013). «Загадка радиуса протона и квантовая гравитация в масштабе Ферми». EPL. 104 (2): 20002. arXiv:1312.3469. Bibcode:2013EL .... 10420002O. Дои:10.1209/0295-5075/104/20002. S2CID  119243594.
  17. ^ Dahia, F .; Лемос, А. (2016). «Является ли загадка радиуса протона свидетельством дополнительных измерений?». Европейский физический журнал. 76 (8): 435. arXiv:1509.08735. Bibcode:2016EPJC ... 76..435D. Дои:10.1140 / epjc / s10052-016-4266-7. S2CID  118672005.
  18. ^ Лю И, Маккин Д., Миллер Г.А. (2016). «Электрофобный скалярный бозон и мюонные головоломки». Письма с физическими проверками. 117 (10): 101801. arXiv:1605.04612. Bibcode:2016PhRvL.117j1801L. Дои:10.1103 / PhysRevLett.117.101801. PMID  27636468. S2CID  20961564.
  19. ^ а б Лестоун, Дж. П. (4 октября 2017 г.). Лэмбовский сдвиг мюонного атома простыми средствами (Отчет). Отчет Лос-Аламоса. Лос-Аламосская национальная лаборатория. LA-UR-17-29148.
  20. ^ Вулховер, Натали (11 августа 2016 г.). «Новое измерение углубляет загадку протонов». Журнал Quanta. Получено 2 сентября 2016.
  21. ^ а б Белушкин, М.А .; Hammer, H.-W .; Meißner, Ulf-G. (2007). «Дисперсионный анализ формфакторов нуклонов, в том числе мезонных континуумов». Физический обзор C. 75 (3): 035202. arXiv:hep-ph / 0608337. Bibcode:2007PhRvC..75c5202B. Дои:10.1103 / PhysRevC.75.035202. ISSN  0556-2813. S2CID  42995123.
  22. ^ Higinbotham, Douglas W .; Кабир, Аль-Амин; Лин, Винсент; Микинс, Дэвид; Норум, Блейн; Савацки, Брэд (31 мая 2016 г.). «Радиус протона по данным рассеяния электронов». Физический обзор C. 93 (5): 055207. Дои:10.1103 / PhysRevC.93.055207.
  23. ^ Гриффиоэн, Кейт; Карлсон, Карл; Мэддокс, Сара (17 июня 2016 г.). «Согласованность данных по рассеянию электронов с малым радиусом протона». Физический обзор C. 93 (6): 065207. Дои:10.1103 / PhysRevC.93.065207.
  24. ^ Хорбач, Марко; Hessels, Eric A .; Пинеда, Антонио (13 марта 2017 г.). «Радиус протона из электрон-протонного рассеяния и теории киральных возмущений». Физический обзор C. 95 (3): 035203. arXiv:1610.09760. Дои:10.1103 / PhysRevC.95.035203. S2CID  119232774.
  25. ^ а б Alarcón, J.M .; Higinbotham, D.W .; Weiss, C .; Е, Чжихун (5 апреля 2019 г.). «Извлечение радиуса заряда протона из данных по рассеянию электронов с использованием усовершенствованной киральной теории эффективного поля». Физический обзор C. 99 (4): 044303. arXiv:1809.06373. Bibcode:2019PhRvC..99d4303A. Дои:10.1103 / PhysRevC.99.044303.
  26. ^ Баркус, Скотт К .; Higinbotham, Douglas W .; Макклеллан, Рэндалл Э. (10 июля 2020 г.). «Как аналитический выбор может повлиять на извлечение электромагнитных форм-факторов из данных сечения упругого рассеяния электронов». Физический обзор C. 102 (1): 015205. arXiv:1902.08185. Дои:10.1103 / PhysRevC.102.015205. S2CID  146808413.
  27. ^ Giannini, M.M .; Сантопинто, Э. (2013). «О проблеме радиуса протона». arXiv:1311.0319. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  28. ^ Робсон, Д. (2013). «Решение проблемы радиуса протона». arXiv:1305.4552. Дои:10.1142 / S0218301314500906. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  29. ^ Пинеда, Антонио (2011). «Краткий обзор теории лэмбовского сдвига мюонного водорода и радиуса протона». arXiv:1108.1263. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  30. ^ Ноттале, Лоран (2019). «Масштабная относительность радиуса протона: решение загадки». arXiv:1904.05772. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  31. ^ Безгинов, Н .; Valdez, T .; Horbatsch, M .; Марсман, А .; Vutha, A.C .; Хессельс, Э. А. (2019). «Измерение лэмбовского сдвига атомарного водорода и зарядового радиуса протона». Наука. 365 (6457): 1007–1012. Bibcode:2019Научный ... 365.1007B. Дои:10.1126 / science.aau7807. ISSN  0036-8075. PMID  31488684. S2CID  201845158.
  32. ^ Xiong, W .; Гаспарян, А .; Gao, H .; Dutta, D .; Хандакер, М .; и другие. (2019). «Малый зарядовый радиус протона из эксперимента по рассеянию электронов на протонах». Природа. 575 (7781): 147–150. Bibcode:2019Натура.575..147X. Дои:10.1038 / s41586-019-1721-2. ISSN  0028-0836. OSTI  1575200. PMID  31695211. S2CID  207831686.
  33. ^ Карр, Жан-Филипп; Маршан, Доминик (2019). "Прогресс в решении загадки протонного радиуса". Природа. 575 (7781): 61–62. Bibcode:2019Натура.575 ... 61K. Дои:10.1038 / d41586-019-03364-z. ISSN  0028-0836. PMID  31695215.