Та сама група фізиків-експериментаторів, яка виявила значущі розбіжності у вимірі розміру протона, виявила, що аналогічна картина спостерігається і щодо частинки, званої дейтроном.
Нове відкриття, опубліковане в журналі Science, збільшує ймовірність того, що в нашому розумінні атомів справді щось не так, а не просто "неправильний вимір".
Формально протон - це позитивно заряджена частинка, яка є частиною атомного ядра. Але насправді він являє собою умовну кулю, складену з кварків і глюонів. Загадка в тому, що він вимірюється так, ніби його розміри збільшуються, коли він обертається навколо електрона. Чого не відбувається під час обертання навколо мюона, рідного брата електрона. Останній у 207 разів важчий, але в іншому йому ідентичний.
Таке враження, що протон затягує пояс у присутності мюона. І все ж, згідно з панівною теорією фізики частинок, протон повинен взаємодіяти з мюоном і електроном абсолютно однаково.
Як зазначалося в сотнях робіт з моменту появи загадки радіуса протона 2010 року, зменшення радіуса протона в присутності мюона, найімовірніше, означає наявність раніше невідомої фундаментальної сили - тієї, що діє між протонами та мюонами, але не між протонами та електронами.
При цьому цікаво, що нова фізика також не в змозі пояснити розбіжність у вимірюванні аномального магнітного моменту мюона.
"Це, звісно, було б фантастикою, - упевнений Рандольф Пауль з Інституту квантової оптики імені Макса Планка, який керував експериментами 2010 і 2022 років. - Але найбільш реалістично те, що це не нова фізика".
Сувора реальність полягає в тому, що радіус протона надзвичайно важко виміряти, що робить таке вимірювання регулярно помилковим.
Особливо важко в типовому випадку, коли протон обертається навколо електрона, як у звичайному атомі водню.
Численні групи намагалися виміряти цей параметр протягом багатьох десятиліть; заведено вважати, що середнє значення радіуса протона становить трохи менше 0,88 фемтометра.
Але група Пауля, прагнучи більшої точності, вирішила виміряти радіус протона в "мюонному водні", оскільки тяжкість мюона дає змогу легше визначити розмір протона.
12 років потому вчені опублікували в журналі Nature значення радіусу протона, яке було набагато точніше, ніж будь-який попередній вимір із використанням звичайного водню.
Новий показник - 0,84 фемтометра, приголомшливо мало для середнього значення.
Питання в тому, чи були всі вимірювання з використанням звичайного водню просто помилковими - або виявилися занадто великими?
Однак той самий Пауль не заперечує, що після кожного вимірювання показники різко дрейфують і залежать від конкретного методу та експериментальних умов.
Інакше кажучи, радіус протона - або відносна, квантова величина, або ми не розуміємо, як провести вимірювання.
Звідси випливає інший феномен, коли виміряні значення констант можуть різко змінюватися, перш ніж зійдуться на "правильних", просто кажучи, статистично усереднених значеннях.
І все ж Пауль і його група не зупинилися на досягнутому. Вони вже почали дослідження, результати якого планується опублікувати найближчим часом.
Цього разу вони виміряли радіус дейтрона - ядра атома дейтерію (ізотопу водню), що складається з протона і нейтрона.
Вони виміряли його в мюонному дейтерії, коли мюон обертається навколо дейтрона.
Потім учені порівняли свої вимірювання з радіусом дейтрона, виміряним у звичайному дейтерії, що орбітується електронами, і поставили собі питання: чи існує загадка радіуса дейтрона, який відповідає радіусу протона?
У їхньому експерименті радіус дейтрона вимірюється так: коли електрони або мюони обертаються навколо дейтрона на певному енергетичному рівні, вони фактично проводять більшу частину свого часу всередині дейтрона, який, подібно до сонячної системи, "тримає" багато порожнього простору.
Локалізація всередині дейтрона зменшує тяжіння, яке відчуває електрон або мюон, оскільки заряд дейтрона тягнеться в різних напрямках, частково анулюючи його.
Тому що більше часу електрон або мюон проводить усередині дейтрона, то менш міцно він пов'язаний і тим легше він може вискочити.
Мюон, оскільки він набагато важчий, обертається навколо дейтрона щільніше, ніж електрон, і ймовірність того, що він опиниться всередині, набагато вища.
Це означає, що він має нижчий заряд, а зменшення через структуру дейтрона є причиною того, що мюон є більш точним датчиком його радіуса.
Щоб виміряти радіус, дослідники обстрілюють лазером газ мюонного дейтерію, змушуючи частинки переходити на вищий енергетичний рівень, не перетинаючись із ядром.
Команда більш точно визначає енергію, необхідну мюону для переходу, а це означає, наскільки слабко зв'язаний мюон, коли перебуває всередині дейтрона. Далі все просто: обчислюється, де починаються "нутрощі дейтрона", тобто його радіус.
У результаті Пауль і компанія виявили, що радіус дейтрона менший під час вимірювання в мюонному дейтерії порівняно із середнім значенням під час використання електронного дейтерію, як і в разі розбіжності в радіусі протона.
Різниця в розмірах масштабується від протона до дейтрона саме так, якби обидва ефекти виходили від нової сили.
За словами Пауля, "тепер є дві розбіжності, і вони абсолютно незалежні", не рахуючи того, що виміряні однією і тією ж групою.
Проте, фізик вельми скептично ставиться до припущення, що загадка протона є доказом нової фундаментальної фізики.
Його особисте припущення полягає в тому, що фізики неправильно оцінили постійну Рідберга - фактор, який використовується для розрахунку очікуваних відмінностей між атомними енергетичними рівнями.
Хоча вона вважається однією з найточніших констант, невелика помилка здатна пояснити загадку радіуса протона і дейтрона.
Щоб перевірити цю можливість, фізики з Торонто намагаються виміряти радіус протона таким чином, щоб обійти постійну Рідберга.
Проводяться й інші експерименти для перевірки альтернативних теорій, як буденних, так і захопливих.
Група Пауля займається вивченням мюонного гелію - системи, де дія деякої сили, якщо вона існує, має бути посилена, оскільки в ній беруть участь два протони.
