Эрне́ст Ре́зерфорд, лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года, вошел в историю науки как «отец» ядерной физики. В 1911 году своим знаменитым опытом по рассеянию α-частиц он доказал существование в атомах положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него. На основе результатов этих опытов была создана планетарная модель атома. Это был гигантский шаг в развитии физики микромира.

Изучению атомного ядра, а простейшим ядром является протон - ядро атома водорода, были посвящены исследования другого Нобелевского лауреата - Роберта Хофтадтера. Работая в Стэндфордском университете в послевоенные годы, он впервые показал, что электрический заряд и магнетизм в протоне не сосредоточены в точке, а распределены в малом, порядка fm³ (1 fm = 10^-13cm), объёме. Для описания процесса рассеяния заряженных частиц (например, электронов) на протоне требуется введение электрического и магнитного форм-факторов, которые и характеризуют отличие зарядовых и магнитных распределений от «точечных». При небольших импульсах, переданных протону отдачи, форм факторы протона имеют простую интерпретацию. Они представляют собой фурье преобразования от распределений электричества и магнетизма в протоне, содержащие радиус протона r_p в качестве параметра.

В последние десятилетия в физике элементарних частиц наблюдается колоссальный прогресс. Стало очевидным, что не только протон и нейтрон, но и все сильно взаимодействующие частицы (адроны) имеют структуру, т.е. имеют размеры и описываются форм-факторами. Создана Стандартная Модель (СМ) - универсальная схема описания частиц и взаимодействий. При этом прецизионные измерения форм-факторов протона (нейтрона), направленные в частности на определение радиуса распределения заряда в протоне (r_p), продолжаются. Как это часто бывает, более точные измерения ставят новые вопросы. Так, по данным рассеяния электронов на протонах радиус протона равен r_p=0.88fm, а из опубликованных недавно результатов исследований спектров μ-атомов водорода (атомов, в которых электрон заменён на μ-мезон) следует, что r_p=0.84fm. Эта на первый взгляд небольшая разница в 0.04 fm намного (на 7 стандартных отклонений) превышает декларируемые ошибки измерений, которые очень тщательно оценивались экспериментаторами. Если эта разница не связана с недоучетом какой-нибудь неизвестной, но существенной экспериментальной поправки, то она может указывать на фундаментальное явление: на нарушение т.н. μе универсальности, т.е. одинаковости электро-магнитных взаимодействий мюона и электрона. Намек на такой вариант, выходящий за СМ, имеется в недавних экспериментах по измерению аномального магнитного момента μ-мезона.

Проблема r_p занимала центральное место на Рабочем совещании «Перспективы прецизионной физики низких энергий, LEPP» организованном в апреле этого года Гуттенберг-университетом и Институтом ядерной физики города Майнц. Основная трудность извлечения r_p из данных по рассеянию электронов состоит в необходимости измерений при очень малых энергиях отдачи протона (порядка 0.5 МэВ) , и, соответственно, малых углов рассеяния электронов пучка с типичной энергией около 500 МэВ. При этом стандартная постановка эксперимента состоит в использовании жидко-водородной мишени и магнитного спектрометра для детектирования рассеянного электрона. В этом варианте протон отдачи не регистрируется. С другой стороны, в целом ряде экспериментов ПИЯФ, как дома так и за рубежом (эксперименты WA9/NA8 в ЦЕРНе), успешно используется предложенная А.А. Воробьевым методика, в которой детектируется именно частица отдачи, методика, основанная на использовании ионизационной камеры высокого давления, которая служит одновременно мишенью и детектором (активная мишень).

Проект эксперимента по прецизионному измерению r_p на базе активной мишени был представлен А.А. Воробьевым на совещании LEPP и вызвал большой интерес. Как показало предварительное математическое моделирование эксперимента, прямое измерение переданного импульса (энергии протона отдачи) обладает рядом преимуществ по сравнению с стандартной схемой с магнитным спектрометром. Разработана оригинальная конструкция ионизационной камеры, в которой в дополнение к измерению энергии и угла вылета протона отдачи будет детектироваться трек рассеянного электрона с полным восстановлением кинематики процесса. Радиус протона r_p будет определяться по наклону форм фактора протона в пределе очень малых переданных импульсов путем измерения с беспрецедентной точностью дифференциального сечения рассеяния электрона на протоне.

На обсуждении с членами Программного комитета ускорителя MAMI, которое состоялось после доклада, нам было предложено к ноябрьской сессии комитета подготовить предложение постановки эксперимента. Тестовый эксперимент, возможно, состоится уже в следующим году, а набор данных в 2018. Фактически, эксперимент направлен на измерение r_p с не достижимой до сих пор точностью, что позволило бы окончательно решить проблему протонного радиуса.

Профессор, доктор физ.-мат. наук С. Л. Белостоцкий 18.04.2016

Fm – ферми или фемтометр - внесистемная единица измерения длины и расстояния, применяющаяся в ядерной физике и физике элементарных частиц. Названа в честь итальянского физика Энрико Ферми