Загадку радиуса протона может разрешить квантовая гравитация

Автор: Александр Березин

Вспоминая горячие дискуссии о форме электрона и степени опасности его зубов, сразу оговоримся: протон, состоящий из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), имеет то, что принято называть его радиусом, а считается им то расстояние, на котором плотность заряда снижается до определённого значения.

Чтобы измерить сей радиус, используют взаимодействие протона (для чего берут ядро атома водорода) и электрона, контактирующего, в свою очередь, с ядром. Электрон обращается вокруг протона по определённым орбиталям — дискретным энергетическим уровням, часть которых зависит от этих самых размеров протона. Отслеживая поведение электронов, его и измеряют.

Но есть альтернативный подход: вместо электрона в ход идёт мюон, который в 200 раз тяжелее, а потому вращается вокруг протона по более низкой орбитали. Этот метод определяет размер протона, по идее, куда точнее. В 2010 году подобные измерения произвели небольшую сенсацию: выяснилось, что вместо более точной оценки получилась... принципиально иная. И это заставило усомниться в «идеальности» квантовой электродинамики, на расчётах которой основывались ожидаемые параметры протона...

В новой работе, опубликованной в журнале Europhysics Letters, физик Роберто Онофрио (Roberto Onofrio) из Падуанского университета (Италия) предположил, что эксперимент с мюонным водородом может быть «не странной ошибкой», а указанием на квантовую гравитацию, точнее — на новую её теорию, основанную на объединении гравитации и слабого взаимодействия. Такую теорию учёный называет «гравитослабым объединением».

В его сценарии ньютоновская гравитация работает, как обычно, на больших дистанциях, а на очень малых принимает другую форму, и сила такого гравитационного взаимодействия равна силе взаимодействия заряженных слабых токов, возникающих среди субатомных частиц. Ну а взаимодействия слабых токов можно рассматривать как проявление квантованной структуры гравитации вблизи или ниже масштаба Ферми.

Как показывает г-н Онофрио, квантовая гравитация придаёт дополнительную связывающую энергию в экспериментах с мюонным водородом, объясняя то, что радиус протона в них получается меньшим, чем в опытах с электронами, где радиус протона измерялся в сравнении с различием между двумя энергетическими уровнями, известными как лэмбовский сдвиг.

По расчётам Роберто Онофрио, «взнос» гравитационной энергии в опытах с обычным ядром атома водорода примерно на два порядка слабее, чем в экспериментах с мюонным водородом, поскольку мюон в пару сотен раз тяжелее электрона. Следовательно, этот вклад должен быть заметен при измерении лэмбовского сдвига обычного водорода, и отсутствие последнего в экспериментах указывает на существование взаимодействия, чувствительного к аромату, как это имеет место с взаимодействием слабых заряженных токов.

Как проверить эту теорию? Учёный считает, что это просто, благо его «объяснение основывается на массе ядра, так что можно провести дополнительные эксперименты с вариантами мюонного водорода... включая, в частности, лэмбовский сдвиг в мюонном дейтерии и спектроскопию мюонного гелия». Предсказания для мюонного дейтерия он уже внёс в свою работу, так что их осталось лишь сверить с экспериментом.

Таким образом, выходит, что мюонный водород может быть использован для проверки разных сценариев гравитослабого объединения; при этом посредством слабых взаимодействий удастся получить доказательства гравитационных эффектов на очень малых масштабах.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Europhysics Letters.