Странные данные из Виллигена1

• Тигран Оганесян

Иллюстрация: Константин Батынков

Двенадцать лет кропотливых экспериментов на мощном ускорителе элементарных частиц в Виллигене (Швейцария) наконец воплотились в результат, переполошивший мировое физическое сообщество.

В начале июля интернациональный коллектив, объединивший более трех десятков ученых из Европы, США и Азии, отрапортовал в журнале Nature: согласно проведенным новым расчетам, радиус протона, базового строительного элемента обычной материи во Вселенной, составляет 0,84184 фемтометра (1 фм = 10−15 м), что почти на 4% меньше его «канонических размеров» (0,8768 фм), зафиксированных международным Комитетом по сбору и оценке численных данных в области науки и техники (CODATA).

В мире фундаментальных физических констант диапазон допустимых статистических погрешностей измерения обычно составляет несколько тысячных, а то и миллионных долей процента и только в самых крайних случаях — десятые доли процента.

Что же могут означать четыре процента «усушки» среднеквадратичного радиуса распределения заряда протона (а именно так корректно звучит определенная экспериментаторами размерная характеристика важнейшей частицы мироздания)?

Даже весьма далекие от современной физики люди, узнав о подобной внушительной коррекции, имеют веские основания попенять за чашкой чая на общее несовершенство наших научных знаний и усомниться в компетентности некоторых специалистов.

Что же касается самих многочисленных коллег физиков-экспериментаторов, они пока, похоже, просто не могут прийти в себя от изумления, и разброс их мнений вызывает стойкую ассоциацию с многоголосым восточным базаром. Мы же ограничимся тремя основными версиями возможного объяснения представленных результатов. Самая простая и удобная: Рандольф Поль из Института квантовой оптики имени Макса Планка в Гархинге (Германия) и его коллеги по сенсационному эксперименту что-то напутали в своих вычислениях. Вторая, промежуточная: формально они все посчитали правильно, но при этом неверно интерпретировали некоторые физические механизмы и процессы, лежащие в основе осуществленного эксперимента.

И наконец, самая радикальная и неприятная: мейнстримовская теория квантовой электродинамики (КЭД), верой и правдой служившая науке на протяжении многих лет и выдавшая на-гора массу точнейших расчетных физических величин, тоже не всесильна и теперь нуждается в основательном пересмотре.

Как измерить радиус протона

Сходятся физики-ядерщики в одном: добытая к настоящему времени информация об особенностях внутренней структуры и механизмах поведения протона в различных физических условиях несовершенна. Как отмечают и сами авторы нашумевшей публикации в Nature, к числу непроясненных загадок протона прежде всего относятся размеры радиуса распределения его заряда и аномальный магнитный момент частицы.

Как известно, протон не является истинно элементарной частицей, поскольку он, в свою очередь, состоит из трех кварков: двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом –1/3.

Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры, но, разумеется, его нельзя представлять как «твердый шарик» — четкой пространственной границы у него нет.

Если следовать современным физическим теориям, протон скорее напоминает облако с размытыми краями, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.

Соответственно, «размер» протона можно определить лишь довольно условно — через определение радиуса действия его положительного заряда (точнее, расстояния, на котором плотность этого заряда падает ниже определенной величины), причем измерить этот зарядовый радиус проще всего при помощи элементарного атома водорода, который состоит из одного протона и одного электрона.

В атоме водорода единственный электрон может находиться на различных дискретных уровнях (так называемых орбиталях), то есть какой-то единой четкой траектории его движения вокруг протонного ядра не существует. Каждая из этих орбиталей обладает точными энергетическими характеристиками, но еще в 1947 году американские физики Уиллис Юджин Лэмб и Роберт Резерфорд в результате эксперимента с использованием микроволнового излучения для стимулирования радиочастотных переходов между различными квантовыми уровнями атома водорода неожиданно обнаружили небольшое отклонение этих энергетических уровней от теоретических предсказаний релятивистской квантовой механики. Иными словами, Лэмб и Резерфорд выявили наличие для некоторых «дегенеративных» состояний (орбиталей) электрона в атомах водорода амплитудных колебаний (сдвигов) энергетических уровней. Этот энергетический сдвиг, названный позднее лэмбовским сдвигом, порождается целым рядом физических эффектов, в том числе квантовыми флуктуациями электромагнитного поля, которое связывает друг с другом электрон и протон.

Квантовая интерпретация этого явления немецко-американским физиком-теоретиком Хансом Бете была первым серьезным шагом на пути создания полной квантовомеханической теории электромагнитного поля. Отметим также, что, когда позднее была создана так называемая теория перенормировок, именно этот лэмбовский сдвиг оказался первым физическим эффектом, на котором подтвердилась ее правильность (и соответственно, правильность КЭД, построенной с использованием этой перенормировочной теории).

Но, что особенно важно, благодаря дальнейшим измерениям величины лэмбовского сдвига в атомах водорода ученые получили возможность при помощи уравнений квантовой электродинамики вычислить зарядовый радиус протона, поскольку его размер, как выявили теоретики, оказывает непосредственное влияние на значение этого энергетического сдвига.

Подобные измерения лэмбовского сдвига в атомах водорода и, соответственно, радиуса протона начиная с 1960-х годов были осуществлены многократно, и, согласно последним результатам, этот радиус оценивался в 0,877 фм с диапазоном статистической погрешности вычислений в плюс-минус 0,007 фм.

Фото: PSI/A. Antognini und F. Reiser

Причем для более точного определения пресловутого радиуса протона физики-ядерщики в последние годы активно исследуют свойства и механизмы поведения атома так называемого мюонного водорода, простейшей разновидности мюонных атомов — экзотических атомных систем, в которых один из электронов (в случае с водородом — единственный электрон) искусственно заменен на отрицательно заряженный мюон.

Мюон — нестабильная элементарная частица, впервые обнаруженная в 1936 году при исследовании космических лучей, масса ее в 207 раз превышает массу электрона. Время жизни мюонных атомов определяется временем жизни свободного мюона, которое составляет всего порядка 2,2 микросекунды. А характерные размеры этих короткоживущих атомов примерно в 200 раз меньше размеров обычных атомов, поскольку из-за большой массы мюонов мюонные «орбиты», отвечающие нижним энергетическим уровням таких атомов, расположены намного ближе к ядру, чем электронные, и зачастую, как и некоторые «дегенеративные» электроны, мюон и вовсе погружается внутрь протонного облака.

Именно эта важнейшая особенность внутреннего строения мюонных атомов и позволяет ученым, по крайней мере в теории, рассчитывать на то, что с их помощью им удастся со значительно большей точностью, чем ранее, вычислить зарядовый радиус протона, поскольку величина лэмбовского сдвига в мюонном водороде еще более чувствительна к размерам протона.

Швейцарский эксперимент

Искусственное создание мюонных атомов относится к числу приоритетных задач экспериментальной ядерной физики. Однако вплоть до самого недавнего времени главной загвоздкой в осуществлении прецизионного измерительного эксперимента с атомом мюонного водорода оставалась его принципиальная начальная составляющая. Речь идет о получении «долгоиграющих» мюонов на специфических промежуточных энергетических уровнях: в обычных условиях эти элементарные частицы ускользают оттуда меньше чем через одну микросекунду, и этого мгновения оказывается недостаточно для того, чтобы успеть замерить их энергию (величину лэмбовского сдвига).

Международная команда исследователей, возглавляемая Рандольфом Полем, боролась с этой проблемой с конца 1990-х. По словам одного из активных участников команды доктора Франца Коттмана из швейцарского Института Пауля Шеррера (PSI; на территории этого института и находится ускоритель элементарных частиц, на базе которого осуществлялся эксперимент), «для того чтобы получить возможность наблюдать этот трудноуловимый физический процесс, нам пришлось заниматься параллельной настройкой и отладкой сразу нескольких ключевых компонентов эксперимента, причем практически все было теоретически разработано и сконструировано с нуля». В частности, нужно было найти эффективный способ искусственного замедления потока мюонов, полученных в ускорителе, внутри сильноразреженного водородного газа (в противном случае атомы мюонного водорода разрушались бы слишком быстро), а также разработать очень быструю систему инфракрасных лазеров, которые действуют на частотах, позволяющих производить их тонкую перенастройку непосредственно во время эксперимента.

Достичь необходимого замедления мюонов ученым удалось при помощи специально сконструированного контейнера с разреженным водородным газом, давление в котором составляло около одной тысячной  нормального атмосферного.

Специфическое требование к свойствам лазеров — возможность испускания ими интенсивных световых пучков в течение нескольких наносекунд после обнаружения мюонов — было реализовано благодаря разработанной в немецком Университете Штуттгарта новой технологии дисковых лазеров.

Фото: PSI/M. Fischer

Общая схема поставленного учеными эксперимента выглядела следующим образом. Сначала поток полученных на швейцарском ускорителе мюонов «выстреливался» в облако разреженного водородного газа, и часть этих мюонов, взаимодействуя с атомами обычного водорода, вытесняла из них электроны, занимая их место. Примерно каждый сотый из таких удачливых мюонов занимал требуемый для измерений промежуточный энергетический уровень (2s-орбиталь) в новообразующемся атоме мюонного водорода (подавляющее же большинство мюонов располагалось на самом низкоэнергетическом уровне, 1s). Далее, в течение следующей микросекунды, протекавшей до неминуемого распада этих мюонов, ученые успевали возбудить их при помощи лазерного пучка, искусственно стимулируя (благодаря поглощенным световым фотонам) переход частиц на более высокую орбиталь (2р).

И уже на этой орбитали 2р мюоны наконец окончательно распадались, испуская при этом избыточную энергию в виде рентгеновских лучей (фотоны света). Детектируя эти рентгеновские лучи, исследовательская команда физиков и получала необходимую информацию о происходивших в атомах мюонного водорода мимолетных энергетических процессах. В дальнейшем теоретики вычисляли на основании этих данных радиус протонов.

Три первые серии экспериментов, осуществленные в 2002-м, 2003-м и 2007 годах, поначалу показались его авторам не слишком удачными: несмотря на то что все вроде бы работало так, как и планировалось, ожидаемый эффект не наблюдался. Доктор Альдо Антоньини, также представлявший в эксперименте местную команду из PSI, рассказывает: «Мы решили было, что проблема заключается в наших лазерах, и заново переделали некоторые из блоков лазерной системы. Однако впоследствии выяснилось, что сами лазеры ни в чем не были виноваты: ошибка заключалась в неправильных теоретических расчетах переходной частоты вылавливаемого сигнала».

После соответствующей перенастройки аппаратуры, которая заняла около трех месяцев, и трех недель круглосуточного сбора экспериментальных данных долгожданный сигнал был наконец зафиксирован со 100-процентной надежностью 5 июля 2009 года. После долгого и тщательного анализа исследователи пришли к итоговому сенсационному результату: измеренный ими с высочайшей статистической точностью радиус протона, 0,84184 фм, оказался существенно ниже международной признанной величины, выведенной в предыдущих экспериментах с обычными атомами водорода.

Революция или диверсия?

По признанию самих авторов виллигенской сенсации, изначально они всего лишь хотели «более точно измерить величину радиуса протона по сравнению с предыдущими экспериментами, проводившимися с обычными атомами водорода». «Долгое время в наших мыслях не возникало и малейшего намека на то, что итоговые результаты окажутся столь разительно отличными от полученных ранее», — говорит Франц Коттман.

Координатор эксперимента Рандольф Поль, в свою очередь, прямо заявил в одном из своих многочисленных интервью, что, «конечно, самым элегантным и простым решением возникшей тупиковой ситуации было бы обнаружение каких-либо ошибок, закравшихся в наши вычисления», однако сразу же добавил, что привлеченные к анализу данных сторонние теоретики пока ляпов найти не смогли.

Что же касается реакции независимых экспертов, она, как мы уже отметили в самом начале, отличается очень широким диапазоном оценок. Так, исследователи, которые были непосредственно вовлечены в серии экспериментов с измерением радиуса протона на обычных водородных атомах, как нетрудно догадаться, практически единодушно пытаются списать полученные группой Поля результаты на какие-то ошибки эксперимента, хотя и признают при этом, что на текущий момент выявить, где же именно они могли возникнуть, не представляется возможным.

Подобное мнение высказал, в частности, Инго Сик из Базельского университета (именно Инго Сик и его коллеги ответственны за предшествующие эксперименты по определению радиуса протона, ставшие основой для последней официальной версии, опубликованной CODATA) и официальный представитель CODATA Петер Мор.

Нейтральные комментаторы предпочитают деликатно избегать каких-либо жестких оценок. Они либо говорят: что-то во всем этом явно не так, но в чем именно состоит проблема — непонятно, либо и вовсе делают неопределенные намеки на необходимость привлечения к расследованию разработчиков альтернативных физических теорий, которые смогут пролить свет на происходящие внутри протона и атомов мюонного водорода таинственные процессы.

Вполне возможно, что в атомах мюонного водорода ощущается какое-то постороннее влияние не детектированных до сих пор элементарных частиц, которое и искажает реальную картину процессов взаимодействия между мюонами и протонами, полагает американский физик-теоретик Карл Карлсон из Колледжа William & Mary (штат Вирджиния). Например, пресловутых частиц-суперпартнеров, существование которых в природе постулируется сторонниками теории суперсимметрии.

По мнению доктора физико-математических наук Рудольфа Фаустова, главного научного сотрудника Вычислительного центра им. А. А. Дородницына РАН (Москва) и члена рабочей группы Российского национального комитета CODATA по фундаментальным физическим константам, утверждать, будто что-то не в порядке с респектабельной теорией квантовой электродинамики, на данный момент никаких оснований нет. «Внутреннее строение протона, состоящего из кварков и глюонов (частиц — переносчиков сильного взаимодействия между кварками. — “Эксперт”), по-прежнему остается во многом загадкой для физиков, и современная наука просто не в состоянии дать исчерпывающее объяснение сложному комплексу механизмов и процессов, происходящих как внутри атомных ядер, так и между составляющими ядра протонами и нейтронами и окружающими их мюонами и электронами, в том числе, например, тому, как сами мюоны влияют на протоны», — говорит Фаустов.

Савелий Каршенбойм, руководитель сектора ВНИИ метрологии им. Д. И.  Менделеева (Санкт-Петербург), как и Рудольф Фаустов, входящий в рабочую группу CODATA по фундаментальным физическим константам, разделяя позицию многих других своих коллег, все-таки склоняется к тому, что надо искать ошибки в представленных группой Поля результатах, поскольку они «явно противоречат другим серьезным результатам, полученным ранее».

Ну а пока независимые эксперты вяло полемизируют, не имея возможности сказать что-нибудь вразумительное по поводу данных из Виллигена, авторы сенсационного исследования обещают в самом скором времени представить новые факты, подтверждающие их правоту.

Так, уже цитированный выше Альдо Антоньини заявляет: «Пускай другие ищут на досуге, где же мы могли что-то напутать в расчетах, а мы, в свою очередь, в ближайшее время займемся организацией следующего этапа эксперимента, на котором вместо водорода будем использовать гелий». Осуществление на той же базе в Виллигене аналогичных экспериментов уже не с атомами мюонного водорода, а с атомами мюонного гелия запланировано учеными на 2012 год.          

• Российские полярники совершили самое крупное открытие 2012 года
• Место встречи — Северный полюс
• В Новосибирске открылся крупный планетарий