Новые измерения зарядового радиуса протона, которые провели физики из американской лаборатории имени Джефферсона, показали, что размер частицы может быть примерно на пять процентов меньше общепринятого значения — около 0,83 фемтометра против 0,88 фемтометра.

Новый результат был получен с помощью измерения рассеяния электронов, и это уже третий метод измерения, который дает «уменьшенный» радиус протона, и возникшая восемь лет назад «загадка радиуса протона» становится все загадочнее.

Согласно данным комиссии CODATA, которая отслеживает результаты измерений фундаментальных констант, зарядовый радиус протона составляет 0,8751(61) фемтометра. Эта величина показывает то, как пучок отрицательно заряженных частиц рассеивается на протоне — чем больше зарядовый радиус, тем большая доля частиц будет рассеиваться. Один из методов его измерения — сверхточная спектроскопия электронных переходов в атоме водорода.

В 2010 года были получены результаты измерения зарядового радиуса, которые проводились не на водороде, а на экзотических мюонных атомах, электроны были заменены на мюоны. Выяснилось, что в этом случае значение радиуса — 0,8418 фемтометра — отличается от измеренного ранее на четыре процента. Так родилась «загадка радиуса протона», которая вызвала беспрецедентный ажиотаж среди ученых.

Сравнение протонного радиуса, полученного в работе группы Колачевского 2017 года (зеленый ромб) и в ранних работах (треугольник и шестиугольник). Фиолетовым показаны результаты спектроскопии мюонного водорода./Axel Beyer et al. / Science, 2017

В октябре 2017 года новые эксперименты по спектроскопии атомов водорода показали значение 0,8335(91) фемтометра, что в пределах погрешности совпадает с результатами для мюонного водорода и на три стандартных отклонения меньше, чем у традиционных экспериментов. Тогда ученые заявляли, что говорить о разрешении загадки еще рано, поскольку было получено всего одно измерение.

Новое значение, полученное в лаборатории имени Джефферсона коллаборацией PRad, укладывается в этот ряд. Ученые использовали спектрометрический метод измерения упругого рассеяния электронов на протонах, под углом лишь 0,6 градуса. Предварительные результаты были представлены на конференции Американского физического общества и Физического общества Японии на Гавайях. По информации издания Science News, в этот раз ученые вновь получили значение около 0,83 фемтометра. Таким образом, теперь и данные по рассеянию электронов, и данные по спектрометрии водорода за 2017 год сошлись со спектрометрией мюонного водорода. Хотя в 2010 году данные по рассеянию, полученные в эксперименте в Майнце, давали 0,879(8) фемтометра.