Квантовата гравитация ще разгадае радиуса на протона

Като си спомним горещите спорове за формата на електрона и степента на опасност на неговите „зъби”, веднага направим уговорка: протонът, който се състои от три кварка (два горни и един долен), има това, което е прието да се нарича негов радиус, а той се смята за разстоянието, на което плътността на заряда се снижава до определена стойност.

За да се измери този радиус, се използва взаимодействието на протона (за което вземат ядрото на водородния атом) и електрона, контактуващ на свой ред с ядрото. Електронът се върти около протона по определени орбити – дискретни енергийни нива, част от които зависят от въпросните размери на протона. Като проследяват поведението на електрона, учените го измерват.

Но има алтернативен подход: вместо електрон в ход влиза мюон, който е 200 пъти по-тежък, затова се върти около протона по по-ниска орбита. Този метод определя размера на протона доста по-точно.

През 2010 г. подобни измервания са направили малка сензация – изяснило се, че вместо по-точна оценка се получила… принципно различна. И това накарало учените да се усъмнят в „идеалността” на квантовата електродинамика, на чиито изчисления се основавали очакваните параметри на протона.

В новото изследване, публикувано в сп. Europhysics Letters, физикът Роберто Онуфрио от университета в Падуа (Италия) предположил, че експериментът с мюонния водород може да не е „страшна грешка”, а указание за квантова гравитация, по-точно – за новата й теория, основана на обединението на гравитацията и слабото въздействие. Такава теория учените наричат „гравитослабо обединение”.

В този сценарий Нютоновата гравитация работи както обикновено на големи дистанции, а на много малки приема друга форма и силата на такова гравитационно взаимодействие е равна на силата на взаимодействието на заредените слаби токове, възникващи сред субатомните частици. А взаимодействието на слабите токове може да се разглежда като проява на квантова структура на гравитацията близо или под мащаба на Ферми.

Както отбелязва Онуфрио, квантовата гравитация придава допълнителна свързваща енергия в експериментите с мюонния водород, обяснявайки това, че радиусът на протона в тях е по-малък, отколкото в опитите с електрони, където радиусът на протона се измервал в сравнение с различията между двете енергийни нива, известни като отместване на Ламб.

Според изчисленията на Роберто Онуфрио „приносът” на гравитационната енергия в опитите с обикновени ядра на водородни атоми е около два пъти по-слаб, отколкото в експериментите с мюонния водород, което се дължи на по-малката маса на електрона в сравнение с мюона. Следователно този принос трябва да е забележим при отместването на Ламб на обикновения водород и отсъствието на последното в експериментите сочи съществуването на взаимодействие, чувствително към аромата, както това има място с взаимодействието на слабите заредени токове.

Как да се провери тази теория? Ученият смята, че това е лесно, тъй като неговото „обяснение се основава на масата на ядрото, така че може да се проведат допълнителни експерименти с варианти мюонен водород… включително в частност отместване на Ламб в мюонен деутерий и спектроскопия на мюонен хелий. Предсказанията за мюонния деутерий той вече е внесъл в своята работа, така че остава само те да се сверят в експерименти.

Така излиза, че мюонният водород може да бъде използван за проверка на различни сценарии на гравитослабото обединение, а посредством слабите взаимодействия може да се получи доказателство за гравитационните ефекти на много малки мащаби.

Отчет за изследването е публикуван в сп. Europhysics Letters.

Източник: Phys.Org