Гравитация влияет на свет
Вернемся к свету и поговорим об общей теории относительности (тоже за авторством Эйнштейна). В эту теорию входит понятие, известное как отклонение света — путь света не всегда может быть прямым.
Как бы это странно ни звучало, это было доказано неоднократно. Хотя у света нет никакой массы, его путь зависит от вещей, у которых эта масса есть — вроде солнца. Поэтому если свет от далекой звезды пройдет достаточно близко к другой звезде, он обогнет ее. Как это касается нас? Да просто: возможно, те звезды, которые мы видим, находятся совсем в других местах. Помните, когда в следующий раз будете смотреть на звезды: все это может быть просто игра света.
Темной энергии не существует. Но это не точно
Споры о темной энергии — гипотетической константе, объясняющей расширение Вселенной — не прекращаются с начала тысячелетия. В этом году физики пришли к выводу, что темной энергии все-таки не существует.
Ученые из Будапештского университета и их коллеги из США , что ошибка кроется в понимании структуры Вселенной. Сторонники концепции темной энергии исходили из того, что материя однородна по плотности, а это не так. Компьютерная модель показала, что Вселенная состоит как бы из пузырей, и это снимает противоречия. Темная энергия больше не нужна для того, чтобы объяснить необъяснимые явления.
Впрочем, построенная на суперкомпьютере Даремского университета (Британия) привела астрофизиков к прямо противоположным выводам. И данные магнитного альфа-спектрометра с Международной космической станции , что темная энергия все-таки существуют. Это независимо друг от друга констатировали две группы исследователей: из Германии и из Китая.
А главное, XENON1T, самый чувствительный в мире детектор темной материи, дал первые . Правда, положительных результатов пока нет. Но ученые довольны, что система вообще работает и демонстрирует минимальные погрешности.
Ученые перестали понимать, как работает ИИ
Технологии
Любая материя — это энергия
Материя и энергия — это просто две стороны одной медали. На самом деле, вы всегда это знали, если когда-нибудь видели формулу E = mc 2 . E — это энергия, а m — масса. Количество энергии, содержащейся в конкретном количестве массы, определяется умножением массы на квадрат скорости света.
Объяснение этого явления весьма захватывает и связано с тем, что масса объекта возрастает по мере приближения к скорости света (даже если время замедлится). Доказательство довольно сложное, поэтому можете просто поверить на слово. Посмотрите на атомные бомбы, которые преобразуют довольно небольшие объемы материи в мощные выбросы энергии.
Многоразовый ракетный ускоритель
Компания SpaceX изобрела новый ракетный ускоритель, который не падает на Землю после запуска ракеты и который можно использовать несколько раз.
Ускорители являются одной из самых дорогостоящих частей запуска ракеты в космос, и обычно все они оказываются на океанском дне сразу после запуска. Очень дорогое одноразовое приспособление, без которого до орбиты не добраться.
Однако новые тяжелые бустеры компании SpaceX могут быть переоборудованы сравнительно легко и дешево и экономить по 18 миллионов долларов с каждого запуска. За 2017 год компания Илона Маска уже провела около 20 запусков с последующей посадкой бустера.
Сноски
- Согласно отчету Лестоуна (2017), «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 ».
Методы измерения радиуса протона
Теперь погрузимся в эту тему чуть серьезнее. Атомные ядра в сто тысяч раз меньше самих атомов, поэтому никаким «миниатюрным штангенциркулем» ядро напрямую не измеришь. Однако размер ядра можно почувствовать косвенно, через влияние, которое неточечное ядро оказывает на разные явления.
Здесь надо сразу сделать пояснение. У одного и того же ядра может быть несколько разных размеров. В зависимости от того, каким процессом мы его прощупываем, даже отдельный протон может казаться больше или меньше. В этой новости речь будет идти исключительно об электромагнитном взаимодействии между ядром (например, протоном) и электроном, поскольку это самый удобный для измерения процесс. Оно зависит от того, как распределены электрические заряды внутри протона. Детали этого распределения, к счастью, несущественны; эффект выражается через усредненный «электрический размер» протона — зарядовый радиус rp.
Есть две разновидности экспериментов по измерению зарядового радиуса протона. Первый — это столкновение протонов со свободно летающими электронами. В эксперименте измеряется угловое распределение рассеявшихся электронов, это распределение сравнивают с теоретическим предсказанием для точечного ядра и видят различие, которое возникает как раз за счет внутренней структуры ядра. Из этого различия и вычисляется его зарядовый радиус.
Второй способ — спектроскопический, через взаимодействие ядра со связанным электроном. Электрон в атоме размазан по объему, который намного больше ядра. Однако крошечная часть электронного облака все-таки залезает внутрь ядра — и чем крупнее ядро, тем больше эта доля. Внутри ядра электрическое поле не такое, как было бы от заряженной точки, и это слегка изменяет энергию связи ядра с электроном, то есть сдвигает уровень энергии
Обратите внимание: этот эффект работает только для электронов на S-орбитали; электроны на более высоких орбиталях вращаются вокруг ядра и непосредственно в центральную область проникнуть не могут (рис. 4)
Поэтому если очень точно измерить разницу энергии двух электронных уровней, то по теоретическим формулам можно вычислить радиус ядра.
У этого метода есть две разновидности. Во-первых, можно сравнивать два электронных уровня с одинаковым главным квантовым числом, например уровни 2S и 2P (рис. 5). Эта разница называется лэмбовским сдвигом. Она маленькая, всего 4 микроэлектронвольт для 2S–2P расщепления в атоме водорода, но современные спектроскопические методы без труда ее измеряют. Возникает она в основном за счет квантовых флуктуаций электромагнитного поля, но свой вклад в него дают еще два эффекта: радиус ядра (это как раз нужный нам эффект) и двухфотонный обмен между электроном и ядром (для обычного водорода он, впрочем, очень мал).
Во-вторых, можно измерять переходы между сильно различающимися уровнями, например 1S и 2S. Тут, правда, есть нюанс: чтобы отсюда вычислить радиус ядра, надо знать постоянную Ридберга — фундаментальную величину, в единицах которой считаются энергии связи. Но постоянная Ридберга сама извлекается из таких спектроскопических измерений. Поэтому, чтобы извлечь и ее, и радиус ядра, требуются две пары уровней.
На рис. 6 показаны значения зарядового радиуса протона, полученные из многочисленных спектроскопических измерений. Первые три точки — измерения через лэмбовский сдвиг, остальные — измерения через две пары уровней. Каждое конкретное измерение не слишком впечатляет, но объединение результатов позволяет достичь погрешности меньше процента (широкая голубая полоса на графике).
На рис. 7 этот суммарный спектроскопический результат показан одной точкой, а в дополнение приведены два результата из экспериментов по рассеянию электронов на протонах. Заметьте: все электронные результаты, полученные разными методами, прекрасно согласуются друг с другом. Черным цветом показан объединенный результат по всем электронным измерениям. Когда в 2010 году комитет CODATA обновил свои рекомендации по физическим величинам, он выдал такое значение для зарядового радиуса протона:
rp (CODATA 2010) = 0,8775 ± 0,0051 фм (фемтометров; 1 фм = 10-15 м).
В ожидании революции
Исследователи, разумеется, не останавливаются на достигнутом, поскольку всем очевидно, что новая страница в истории изучения мюонов и мюонных систем только началась. Так, например, планируется изучить рассеяние мюонов на протонах (подобно тому, как это делалось с электронами). Кроме того, продолжаются спектроскопические эксперименты и с другими ядрами, в частности с мюонным гелием. Фактически, загадка радиуса протона постепенно перестает быть загадкой только лишь протона.
На сегодняшний день зафиксировано более сотни попыток разрешить эту загадку, но ни одна из них не получила общепринятого одобрения физического сообщества. Семь лет — это достаточно большой срок для области в физики, которая еще недавно была образцом триумфа теоретической мысли. Хорошо это или плохо? Разумеется, это хорошо. Ведь физика всегда развивалась тогда, когда перед ней ставились подобные загадки.
Любопытно, что между открытием закона для серии Бальмера, подарившего нам квантовую механику, и открытием лэмбовского сдвига, подарившего нам квантовую электродинамику, прошло немногим больше 60 лет. И примерно столько же лет прошло между открытием лэмбовского сдвига и возникновением загадки радиуса протона. Совпадение? Возможно. Но приятно думать, что мы, возможно, живем на пороге новой революции в квантовой физике.
Марат Хамадеев
Проблема
До 2010 года зарядовый радиус протона измерялся одним из двух методов: одним методом спектроскопии, а другим — ядерным рассеянием.
Спектроскопический метод
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 (или0,8768 ± 0,0069 фм ) с относительной погрешностью около 1%.
Ядерное рассеяние
Ядерный метод похож на эксперименты Резерфорда по рассеянию, которые установили 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 (или0,8775 фм ).
2010 эксперимент
В 2010 году Pohl et al. опубликовал результаты эксперимента, основанного на мюонном водороде, а не на обычном водороде. Концептуально это похоже на метод спектроскопии. Однако гораздо более высокая масса мюона заставляет его вращаться по орбите в 207 раз ближе, чем электрон, к ядру водорода, где, следовательно, он гораздо более чувствителен к размеру протона. Результирующий радиус записывался как0,842 ± 0,001 фм , на 5 стандартных отклонений (5σ) меньше, чем при предыдущих измерениях. 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.)
С 2010 г. дополнительные измерения с использованием электронов предыдущими методами немного снизили расчетный радиус до (8,751 ± 0,061) × 10 −16 м (0,8751 ± 0,0061 фм ), но за счет еще большего уменьшения неопределенности несогласие с экспериментом с мюонным водородом ухудшилось до более чем 7σ.
Последующий эксперимент Pohl et al. в августе 2016 года использовал атом дейтерия для создания мюонного дейтерия 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. В 2017 году группа Поля провела еще один эксперимент, на этот раз с использованием атомов водорода, возбужденных двумя разными лазерами. Измеряя энергию, высвобождаемую, когда возбужденные электроны возвращаются в состояния с более низкой энергией, можно вычислить постоянную Ридберга и, исходя из этого, определить радиус протона. Результат снова на ~ 5% меньше общепринятого радиуса протона. В 2019 году в другом эксперименте сообщалось об измерении размера протона с использованием метода, который не зависел от постоянной Ридберга — его результат, 0,833 фемтометра, еще раз совпал с меньшим значением 2010 года.
Загадочный протонный радиус: в чем проблема и почему это беспокоит физиков
Шесть лет назад коллаборация CREMA, коллектив экспериментаторов из швейцарского Института Пауля Шеррера (Paul Scherrer Institute, PSI) огорошили физиков неожиданным заявлением: их эксперимент по измерению размера протона дал результат на 4% меньше, чем считалось до этого. Стремясь улучшить точность измерений этой довольно-таки изученной величины, они поставили новаторский эксперимент: измерили радиус протона через сдвиг уровней энергии в мюоном водороде (атом μp). Точность у них в самом деле оказалась превосходной — как минимум в двадцать раз лучше, чем у любого из многочисленных предыдущих измерений. Но только результат на пять стандартных отклонений отличался от значения, полученного комитетом CODATA при усреднении по всем предыдущим экспериментам (а они до тех пор проводились только с электрон-протонным взаимодействием). В 2013 году эта же группа обновила измерения и повысила точность — и расхождение достигло уже 7σ.
Так в фундаментальную физику ворвалась загадка протонного радиуса — и, несмотря на усилия сотен специалистов, она до сих пор остается неразрешенной.
Более того, в этой ситуации даже толком непонятно, где подвох. Одно дело, когда эксперимент расходится с теорией — такое в физике микромира бывает нередко и помогает улучшать теоретические модели или отбраковывать не относящиеся к нашему миру гипотезы. Бывает — правда, куда реже — и так, что разные методы измерения одной и той же величины дают различающиеся результаты. Самый яркий пример — это измерения гравитационной постоянной: там есть уже аж четыре (!) экспериментальных значения, которые отличаются друг от друга на десяток сигм. Бесспорно, это конфузная ситуация, ведь результат может быть только один. Но по крайней мере понятно, что проблема здесь кроется в неучтенных погрешностях экспериментов.
А в ситуации с радиусом протона непонятно, на что пенять. На вот эти эксперименты с мюонными атомами? Трудно поверить, что экспериментаторы ошиблись на сотню (!) своих сигм, особенно когда в своем спектре они прекрасно видят опорные калибровочные линии там, где они должны находиться. К тому же измеренные ими другие спектроскопические величины, например сверхтонкое расщепление, хорошо согласуются с теоретическими расчетами.
Или надо пенять на все предыдущие эксперименты с электронами? Но их был не один десяток (вообще, их сотни, только у большинства погрешность больше обнаруженного расхождения). Или, может быть, проблема не в самих результатах измерений, а в тех теоретических формулах, через которые из них вычисляется радиус протона? Ведь они получаются из очень нетривиальных расчетов и содержат множество подводных камней. Эта неприятная возможность, особенно для таких, казалось бы, элементарных систем как (мюонный) атом водорода, очень нервирует теоретиков. Ну и наконец, может оказаться, что и с экспериментами, и с формулами все в порядке, а расхождение привносит совершенно новый, неизвестный ранее физический эффект, какой-то из вариантов Новой физики, которую так давно и пока безуспешно ищут на коллайдерах.
Чтобы как-то разобраться с этим клубком вопросов, полезно поставить эксперименты не с протоном, а с другими ядрами, и проверить, как согласуются здесь электронный и мюонный метод измерения. На днях та же самая группа из Института Пауля Шеррера опубликовала в журнале Science статью с результатами спектроскопических измерений в мюонном дейтерии. Из них физики извлекли радиус дейтрона (связанное состояние протона и нейтрона), сравнили его со значением, полученным в обычном, электронном дейтерии, — и тоже обнаружили сильное расхождение. Таким образом, загадочное расхождение между мюонным и электронным методом подтверждается и крепнет; и распространяется оно не только на протон, но и на другие ядра.
Мюоний
Мюоний
– связанная квантовая система, состоящая из положительно заряженного мюона
μ+ и электрона e-. Мюоний отличается от атома
водорода заменой протона на положительно заряженный мюон μ+.
Мюоний образуется при торможении мюонов μ+ в веществе.
Мюон может присоединить один из электронов электронной оболочки атома среды,
образуя связанное состояние μ+e-. Время жизни мюония
определяется средним временем жизни мюона τ(μ) = 2.2·10-6 с.
Уровни энергии мюонного атома En можно рассчитать на основе
нерелятивистского уравнения Шредингера
где
R = 13.6 эВ − постоянная Ридберга, n = 1,2,3, … −
главное квантовое число.
Радиус боровской орбиты мюония a = 0.532 Å. Потенциал ионизации атома мюония Eи=13.54 эВ. Мюоний − это
простейшая система, состоящая из лептона e- и антилептона
μ+, связанная электромагнитным взаимодействием. Поэтому
прецизионное измерение тонкой структуры спектра мюония является одним из точных
методов проверки квантовой электродинамики. Так как электрон и мюон являются
фермионами имеющими спин s = 1/2 их суммарное значение
спина может принимать значение s= 0 или s = 1 (спины фермионов могут быть либо антипараллельны, либо параллельны). В 75%
случаев атомы мюония образуются в состоянии с параллельными спинами мюона
и электрона и в 25% случаев суммарный спин мюония равен нулю. Энергии этих
состояний различаются на ~2·10-5 эВ и между ними возможны
квантовые переходы с испусканием фотонов с частотой
ν = 4463 МГц. Энергетическое расщепление состояний =
0, обусловлено
взаимодействием между магнитными моментами электрона e- и мюона
μ+..
Одним из эффективных способов образования мюона μ+ является
образование μ+ в результате распада положительно
заряженных пионов
π+ → μ+ + νμ.
Так
как распад пиона происходит в результате слабого взаимодействия, в системе
покоя пиона спин мюона направлен преимущественно против направления импульса
мюона.
Рис. 2. Ориентации импульсов pμ, pν и
спинов sμ, sν μ+‑мюона
и мюонного нейтрино νμ, образующихся при распаде π+-мезона.
Распад
положительно заряженного мюона сопровождается появлением позитрона и двух
нейтрино
μ+ → e+ + νe + μ.
Позитроны e+ испускаются преимущественно в направлении
спина мюона. Это свойство слабых взаимодействий позволяет определить направление
спина мюона.
Поведение мюонных атомов в различных средах зависит от
скорости различных химических реакций с участием мюонных атомов. Приведенная
масса мюония и радиус мюонного атома практически совпадают с соответствующими
величинами атома водорода, поэтому изучая поведение мюония в веществе, можно
получить дополнительную информацию о взаимодействии атомарного водорода.
Невероятный протон
Протон — это положительно заряженная частица, входящая в ядро атома, строительный кирпичик всего, что вы знаете. Годами измерения показывали, что радиус протона составляет 0,8768 фемтометра (фемтомер — это одна миллионная миллиардной доли метра).
Однако новый метод измерений в 2009 году выдал другой результат: 0,84087 фемтометра, разница составила 4 %.
Во время предыдущих измерений для определения радиуса протона использовались электроны, отрицательно заряженные частицы, которые вращаются вокруг ядра в облачке. Чтобы сделать замер с электронами, ученым нужно проделать одну из двух вещей. Во-первых, можно стрелять электронами в протон и выяснить, как будут отражаться электроны. Этот метод рассеяния электронов дает понятие о размере положительно заряженного протона.
Другой вариант — заставить электрон двигаться. Электроны вращаются вокруг ядра атома, где прячется протон, на разных уровнях, которые называются орбиталями. Они могут прыгать с одной орбитали на другую, увеличивая или уменьшая свою энергию, в процессе чего электрон будет испускать или получать элементарную частичку света под названием фотон. Количество энергии, необходимое для того, чтобы сдвинуть электрон с одной орбитали на другую, и подскажет физикам, каков размер протона.
Пол и его коллеги не использовали электроны для измерения протона. Вместо этого, они подключили к делу другую негативно заряженную частицу, которая называется мюон. Мюон в 200 раз тяжелее электрона, поэтому его орбиталь по отношению к протону располагается в 200 раз ближе. Такой вес облегчает задачу ученых предсказать, на какую орбиталь смещается мюон, а следовательно более точно узнать размер протона.
Наша Вселенная быстро расширяется
Понятия усложняются, и чтобы понять почему, нам нужно вернуться к теории Большого Взрыва. До того как стать популярным телешоу, теория Большого Взрыва была важным объяснением происхождения нашей Вселенной. Если проще: наша вселенная началась со взрыва. Обломки (планеты, звезды и прочее) распространились во всех направлениях, движимые огромной энергией взрыва. Поскольку обломки достаточно тяжелые, мы ожидали, что это взрывное распространение должно замедлиться со временем.
Но этого не произошло. На самом деле, расширение нашей Вселенной происходит все быстрее и быстрее с течением времени. И это странно. Это означает, что космос постоянно растет. Единственный возможный способ объяснить это — темная материя, а точнее темная энергия, которая и вызывает это постоянное ускорение. А что такое темная энергия? Вам .
И немного о теории
Теоретическая физика частиц в 2017 году, в целом, продолжила тенденцию прошлых лет. Есть отдельные четко очерченные направления работы, — и внутри них теоретики планомерно решают свои достаточно технические задачи. А есть очень широкое коммьюнити физиков-феноменологов, которые разными методами пытаются нащупать Новую физику. В этом пестром коллективе даже и близко нет намека на скоординированное движение в одном направлении. Скорее, в отсутствие четких экспериментальных указаний, здесь наблюдается броуновское движение частиц-теоретиков в многомерном и запутанном пространстве математических возможностей. Какая-никакая польза от этого есть: сообщество проверяет все возможные варианты гипотетического устройства нашего мира, либо отбрасывая их из-за несогласия с экспериментом, либо, наоборот, разрабатывая вглубь. Но сами теоретики признают, что подавляющее большинство конкретных моделей, которые они сейчас предлагают и изучают, будет рано или поздно выброшено за ненадобностью на свалку истории.
Из всего безбрежного моря разработок выделим, пожалуй, только одну тенденцию, которая стала усиливаться в последние год-два. Физики постепенно перестают цепляться за те идеи, которые им казались естественными — будь то эстетические соображения или естественность в вычислительном смысле , см. по этому поводу недавний доклад , в явных выражениях подчеркивающий эту мысль. К чему это в конце концов приведет — предсказать сейчас, из 2017 года, невозможно. Может быть, теоретики обнаружат-таки элегантную теорию, предсказания которой будут подтверждаться. А может быть, сначала придут долгожданные экспериментальные результаты, указывающие на физику за пределами Стандартной модели, и теоретики методом проб и ошибок подберут к ним ключи. Может, конечно, оказаться и так, что ничего существенно нового так и не обнаружится в ближайшие десятилетия — и тогда придется пересматривать весь подход к дальнейшему изучению микромира. Одним словом, мы сейчас на перепутье и в состоянии неопределенности. Но видеть в этом следует не поводы для уныния, а признак того, что нас ждут перемены.
Почти уже ушедший 2017 год оказался годом громких открытий — космические агентства стали использовать многоразовые ракеты, пациенты теперь могут бороться с раковыми клетками с помощью собственных кровяных клеток, а группа ученых обнаружила в Южном полушарии потерянный континент под названием Зеландия.
Ниже более подробно описаны эти и другие умопомрачительные открытия и невероятные научные достижения 2017 года.
Сигналы из космоса
Элементарные частицы можно искать и изучать не только на коллайдерах, но и в космосе. Самый прямой способ — это ловить частицы космических лучей и по их спектру, составу, и угловому распределению выяснять, откуда эти частицы взялись. Конечно, подавляющее большинство космических пришельцев были разогнаны до больших энергий разными астрофизическими объектами. Но может статься, что некоторые из них возникли в результате аннигиляции или распада частиц темной материи. Если такая связь подтвердится, это станет долгожданным указанием на конкретные частицы темной материи, столь необходимые для космологии, но такие неуловимые в прямых экспериментах .
За последнее десятилетие было обнаружено несколько неожиданных особенностей в спектрах космических частиц разного сорта; две самые любопытные касаются доли космических позитронов и антипротонов большой энергии. Однако в обоих случаях есть и чисто астрофизические варианты объяснения, откуда в космических лучах столько антиматерии.
И вот совсем недавно новую сенсацию подбросили физикам первые результаты спутниковой обсерватории DAMPE : в ее спектре космических электронов «нарисовался» высокий узкий всплеск при энергии 1,4 ТэВ (см. подробное описание в новости , «Элементы», 13.12.2017). Конечно же, многие восприняли его как прямой сигнал от аннигиляции или распада частиц темной материи (рис. 10) — в первые же дни после обнародования результатов DAMPE вышло свыше десятка статей на эту тему (см. материал Изломы и всплески далекого космоса). Сейчас поток ослаб; ясно, что следующий шаг — за новыми наблюдательными данными, и они, к счастью, поступят через год-два.
А вот другой недавний результат относится совсем к иным масштабам, космологическим, и к иным частицам — нейтрино. В появившейся в ноябре статье arXiv:1711.05210 сообщается о том, что, на основе пространственного распределения скоплений галактик, впервые удалось измерить сумму масс всех типов нейтрино: 0,11 ± 0,03 эВ. Нейтрино — это самые загадочные из известных фундаментальных частиц. Они обескураживающе легкие, настолько легкие, что большинство физиков уверено, что за их массу отвечает не хиггсовский механизм, а какая-то Новая физика. Кроме того, они осциллируют, спонтанно превращаются друг в друга на лету — и за доказательство этого факта была присуждена Нобелевская премия по физике за 2015 год . Благодаря осцилляциям мы знаем, что у трех сортов нейтрино массы разные, но мы не знаем их общего
масштаба. Будь у нас это одно-единственное число, сумма масс всех нейтрино, мы бы смогли резко ограничить фантазии теоретиков относительно того, откуда вообще у нейтрино берутся массы.
Общий масштаб масс нейтрино можно, в принципе, измерять и в лаборатории (эксперименты ведутся, но пока дают лишь ограничение сверху), а можно извлекать из космических наблюдений. Дело в том, что нейтрино в космосе всегда было очень много, и в ранней Вселенной они влияли на формирование крупномасштабной структуры — зародышей будущих галактик и их скоплений (рис. 11). В зависимости от того, какова их масса, это влияние различается. Поэтому изучив статистическое распределение галактик и их скоплений, можно извлечь и суммарную массу всех типов нейтрино.
Конечно, такие попытки делались и раньше, но все они давали лишь ограничение сверху. Самое консервативное из них — это результат коллаборации Planck 2013 года: сумма масс меньше 0,25 эВ. Отдельные группы исследователей потом объединяли данные Planck с другими и получали более сильные, но и более модельно-зависимые ограничения сверху, вплоть до 0,14 эВ. Но это по-прежнему оставались именно ограничения! А новая статья, проанализировав опубликованный недавно каталог скоплений галактик, впервые смогла увидеть эффект от ненулевой массы и извлечь число 0,11 ± 0,03 эВ. Эта работа продолжается и дальше, так что можно ожидать, что в ближайшие годы ситуация полностью определится. А пока что заметим, что астрофизическое сообщество к этой работе отнеслось довольно настороженно: видимо, столь опосредованное статистическое измерение требует тщательно перепроверки.
Возможные объяснения
Эти измерения с помощью чувствительных мюонов и обеспечили физикам неожиданные результаты. Совершенно неожиданно. Теперь физики пытаются объяснить расхождения.
Самым простым объяснением может быть элементарная ошибка в расчетах. Примерно так же физики опростоволосились, когда выяснили, что нейтрино могут двигаться быстрее скорости света. Пол говорит, что «скучное объяснение» наиболее вероятно, но не все физики с ним согласны.
Он также не отрицает, что измерения с помощью электронов проводились много раз, и что если в мюонный эксперимент закралась погрешность и он был проведен неправильно, результаты, конечно же, аннулируются.
Но если «эксперимент невиновный», могут быть ошибки и в расчетах, а значит «мы знаем, что происходит, просто считаем неправильно», отмечает Бернауэр.
Самым захватывающим может быть то, что расхождение положит начало новой физике, которая не объясняется Стандартной моделью и порядком всем надоела, но все так же исправно работает. Возможно, физики чего-то не знают о том, как мюоны и электроны взаимодействуют с другими частицами. Так считает Джон Аррингтон, физик из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.
Возможно, фотоны — не единственные частицы, которые переносят силу между частицами, и в дело вошла доселе неизвестная частица, которая и породила непонятные результаты в измерении протона.
Предлагаемые резолюции
Аномалия остается нерешенной и активно исследуется. Пока нет убедительных причин сомневаться в достоверности старых данных. Непосредственная забота заключается в том, чтобы другие группы воспроизвели аномалию.
Неопределенный характер экспериментальных данных не остановил теоретиков от попыток объяснить противоречивые результаты. Среди постулируемых объяснений — трехчастичная сила , взаимодействие между гравитацией и слабой силой или зависящее от аромата взаимодействие, гравитация более высокого измерения , новый бозон и квазисвободныйπ+ гипотеза.
Артефакт измерения
Рандольф Поль, первый исследователь головоломки, заявил, что, хотя было бы «фантастически», если бы головоломка привела к открытию, наиболее вероятным объяснением будет не новая физика, а какой-то артефакт измерения. Его личное предположение состоит в том, что прошлые измерения не позволили измерить постоянную Ридберга и что текущий официальный размер протона неточен.
Квантовый хромодинамический расчет
В статье Белушкина и др . (2007), включая различные ограничения и пертурбативную квантовую хромодинамику, предсказал меньший радиус протона, чем 0,877 фемтометра, который был принятым значением в то время.
Экстраполяция радиуса протона
В документах от 2016 года предполагалось, что проблема заключалась в экстраполяциях, которые обычно использовались для извлечения радиуса протона из данных о рассеянии электронов, хотя это объяснение потребовало бы, чтобы была также проблема с измерениями атомного лэмбовского сдвига.
Метод анализа данных
В одной из попыток решить загадку без новой физики Аларкон и др . (2018) из лаборатории Джефферсона предложили, что другой метод для согласования экспериментальных данных рассеяния теоретически, а также аналитически обоснованным образом дает радиус заряда протона из существующих данных рассеяния электронов, который согласуется с измерением мюонного водорода. 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.
Проблемы релятивистской системы отсчета
Другие исследователи предположили, что анализ, используемый для электронного протонного зарядового радиуса, может не учитывать должным образом остальные системы отсчета различных компонентов экспериментов в свете специальной теории относительности. Факторы поляризации в мюонном водороде, которые не являются существенными для обычного водорода, также были предложены в качестве возможного решения.
Еще одна статья в апреле 2019 года предположила, что масштабная относительность может дать ответ, основанный на релятивистских размерах протонов и мюонов.
Измерения 2019
В сентябре 2019 года Безгинов и соавт. сообщил о повторном измерении зарядового радиуса протона для электронного водорода и нашел результат, соответствующий значению Поля для мюонного водорода. В ноябре W. Xiong et al. сообщили о аналогичном результате, используя рассеяние электронов с чрезвычайно низким переданным импульсом.
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.
