В течение многих лет ученые-физики исследовали строение положительно заряженных субатомных частиц, протонов, бомбардируя их потоком электронов и регистрируя интенсивность их отражения под разными углами. Таким образом ученым удавалось определить картину распределения электрического заряда и магнитные свойства частицы. В ходе этих экспериментов было выяснено, что распределение электрического заряда и магнетизма частицы почти полностью совпадают. Начиная с 2000-х годов, исследователи начали использовать в своих экспериментах поляризованные лучи электронов, это позволило значительно увеличить разрешающую способность экспериментов и привело к череде достаточно значимых открытий.

Одним из вышеупомянутых открытий стало то, что во время столкновения протона и электрона происходил так называемый фотонный обмен, но позже стало известно, что в некоторых случаях в этом фотонном обмене принимает участие не один, а два фотона одновременно, что приводит к появлению неравномерностей распределения электрического заряда. Согласно разработанной на основе экспериментальных данных, оба участвующие в обмене фотона должны быть «твердыми», т.е. высокоэнергетическими фотонами.

Для изучения особенностей двуфотонного обмена группа исследователей из лаборатории Ядерной физики (Laboratory for Nuclear Science) Массачусетского технологического института в течение семи лет занималась проведением эксперимента под названием OLYMPUS. Этот эксперимент проводился на синхротронном электронном ускорителе German Electron Synchrotron (DESY) в Гамбурге, Германия, и в его результатах содержатся доказательства того, что во время взаимодействия электрон-протон действительно происходит обмен двумя фотонами.

Однако, в отличие от теоретических прогнозов, результаты эксперимента OLYMPUS говорят о том, что во время обмена только один из фотонов является высокоэнергетическими, во втором фотоне заключено совсем небольшое количество энергии по сравнению с первым.

Получение экспериментальных результатов было сопряжено со многими трудностями. Ученым пришлось демонтировать целый спектрометрический комплекс BLAST, датчик которого имеет объем в 125 кубических метров, и перевезти его из Массачусетского технологического института в Германию. Во время окончательного монтажа датчик и сопутствующее ему оборудование прошли модернизацию, которая позволила улучшить их параметры.

Эксперимент OLYMPUS проводился параллельно с еще двумя подобными экспериментами, одним в США и вторым – в России. В данном случае протоны бомбардировались лучами отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных позитронов. А регистрация разницы между взаимодействиями двух видов дала ученым в руки большее количество ценной информации.

Сравнительные данные собирались на протяжении трех месяцев, а на анализ собранного массива информации потребовалось уже три года. Выявленная разница между теорией и практикой означает, что будущие эксперименты должны проводиться на еще более высоком уровне энергии, там, где эффект двуфотонного обмена должен проявляться с большей силой.

В ближайшем будущем ученые из Массачусетского технологического института планирует изучить реакцию научного физического сообщества на полученные ими результаты.

«Может случиться так, что кто-нибудь укажет нам какую-то мелкую деталь, наличие которой приведет в согласие теорию и практику на уровне низкой, средней и высокой энергии» – пишут исследователи, – «Тогда и станет ясно, каким должен быть наш следующий шаг. Если мы не найдем недостающее "связующее звено», то мы продолжим искать его дальше, а если это звено будет найдено, то нам потребуется получить дополнительные экспериментальные доказательства".