Загадка возникла в результате экспериментов, направленных на определение того, как кварки, строительные блоки протона, расположены внутри этой частицы. Эта информация заключена в величине, которую ученые называют электрическим форм-фактором протона. Электрический форм-фактор описывает пространственное распределение кварков внутри протона, отображая заряд, который кварки несут.Физики-ядерщики использовали два разных метода для измерения электрического форм-фактора протона.
Но чем глубже они исследуют протон, тем больше расходятся результаты этих двух разных методов. В конце концов, измерения, полученные одним методом, примерно в пять раз превышают результаты другого. Это огромное расхождение намного превышает экспериментальную неопределенность измерений.«Предлагаемое решение для несоответствия состоит в том, что анализ одного набора измерений был слишком упрощен, — говорит Ларри Вайнштейн, профессор физики в Университете Олд Доминион. «И что, если мы включим то, что известно как двухфотонный эффект, они оба должны согласиться».
Эффект является результатом того, как ученые-ядерщики проводят исследования протона. Протон исследуется путем бомбардировки его энергичными электронами и наблюдения за взаимодействием двух частиц.
В большинстве случаев это взаимодействие заключается в обмене электроном одного виртуального фотона с протоном. Виртуальный фотон — это просто пакет энергии, который электрон передает протону при столкновении с частицей. Но иногда электрон взаимодействует с протоном иначе; он может вызвать в воображении два виртуальных фотона, которые он передает протону.«Обычно, когда электрон рассеивается от протона или ядра, он делает это, обмениваясь одним виртуальным фотоном.
Как два конькобежца, проезжающие мимо друг друга, и один бросает медицинский мяч в другого; это помогает им разойтись. , — поясняет Вайнштейн. «Поскольку электромагнитное взаимодействие очень слабое, мы ожидаем, что обмен вторым фотоном, вторым набивным мячом, происходит только в нескольких процентах случаев. Но этого эффекта нескольких процентов может быть достаточно, чтобы объяснить эту огромную разницу между измерениями протона. электрический форм-фактор ".Итак, ученым-ядерщикам нужно было точно измерить, как часто электрон может генерировать два фотона с помощью этого двухфотонного эффекта. Но возникла большая проблема: никто никогда не измерял этот эффект, и вычислить его с любой степенью точности было слишком сложно из-за сложности протона.
Чтобы получить это количество, Вайнштейн и его коллеги обратились к смешиванию материи с антивеществом.Оказывается, хотя измерение двухфотонного эффекта напрямую сейчас может быть слишком сложным, ученые могли бы вместо этого измерить другую величину, которая связана с эффектом.
Двухфотонный эффект можно измерить косвенно, отметив, как часто электрон взаимодействует с протоном, и сравнив это с тем, как часто антиматериальный двойник электрона, позитрон, взаимодействует с протоном. Разница между электронным и позитронным взаимодействиями калибрует силу двухфотонного эффекта и его влияние на измерения форм-фактора.
Используя ускоритель непрерывного пучка электронов, или CEBAF, в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона при Министерстве энергетики США, Вайнштейн и его коллеги решили провести измерения зимой 2010 года. Они начали с пучка электронов, который затем пропустили через два золотая фольга и несколько магнитов для создания пучка электронов и позитронов. Затем этот луч направлялся на протоны водородной мишени.
Затем они собрали данные об электрон-протонных и позитрон-протонных столкновениях с помощью спектрометра CLAS. Поскольку подобный эксперимент никогда раньше не проводился, им потребовалось четыре года, чтобы проанализировать данные и получить точные результаты.«На самом деле разница составляла несколько процентов. Мы получили на несколько процентов больше событий рассеяния позитронов и протонов, чем случаев рассеяния электронов и протонов», — говорит Вайнштейн. «Итак, наше измерение согласуется с расчетом, и расчет объясняет большую часть расхождения между двумя измерениями электрического форм-фактора протона».
По мнению исследователей, это означает, что различия в измерениях электрического форм-фактора протона, который дает информацию о том, как кварки распределены внутри протона, могут быть объяснены двухфотонным эффектом.
Две другие исследовательские группы, коллаборация VEPP-3 в Новосибирске и коллаборация OLYMPUS в DESY, также измеряли этот эффект, хотя с одиночными пучками электронов, которые они сравнивают с одиночными пучками позитронов. ВЭПП-3 получил аналогичные результаты, и сотрудники OLYMPUS все еще анализируют свои данные.Теперь, когда загадка протона, по-видимому, решена, ученые-ядерщики продолжат изучение электрического форм-фактора протона, выясняя, где кварки находятся в протоне, и магнитный форм-фактор протона, выясняя, как кварки движутся внутри протона, чтобы лучше понять как кварки строят протоны.Два докторанта сыграли важную роль в проведении эксперимента.
Дипак Римал, Международный университет Флориды, и Дасуни Адикарам, Университет Старого Доминиона, помогли настроить оборудование, защитить стек, а также собрать, откалибровать и проанализировать данные. Оба закончили учебу в мае 2014 года.
Этот результат был опубликован 10 февраля 2015 г. в Physical Review Letters.