Как то я уже писал о "неуловимых" мюонах и, связанным с ними таком физическом явлении, как молнии:

А сегодня во френдленте прочитал интересную статью, детально раскрывающую природу мюона и связанного с ним "меньшего, чем обычно" протона. Кто заинтересовался - статья под катом.

«Радиус протона оказался на 4 процента меньше, чем считалось до сих пор. Такой вывод был сделан группой физиков, которые провели самое точное на сегодняшний день измерение радиуса частицы. Свои результаты ученые опубликовали в журнале Nature. Коротко о работе пишет New Scientist.

О радиусе протона

Прежде всего, я хочу поблагодарить блоггера Миронову Валентину Юрьевну, благодаря которой я узнал о существовании проблемы расхождений в результатах, получаемых при измерениях размеров протона, которые стабильно повторяются в процессе его измерений различными способами. А также моего постоянного в течение уже многих лет корреспондента издалека, благодаря которому я получил и подробное описание методик тех измерений. А теперь о сути проблемы и сначала цитата.

«Радиус протона оказался на 4 процента меньше, чем считалось до сих пор. Такой вывод был сделан группой физиков, которые провели самое точное на сегодняшний день измерение радиуса частицы. Свои результаты ученые опубликовали в журнале Nature. Коротко о работе пишет New Scientist.

Авторы новой работы решили уточнить полученные ранее оценки размера протона, использовав необычную технологию эксперимента. Физики получали структуру, подобную атому водорода, в которой вместо электрона находился мюон - отрицательно заряженная элементарная частица в 207 раз тяжелее электрона. Из-за разницы в массе мюон обращается приблизительно в 200 раз ближе к протону и изменения его энергетических уровней намного сильнее зависят от характеристик протона.

По итогам проведенных опытов ученые вычислили, что радиус протона составляет 0,84184 фемтометров (фемтометр - это 10-15 метра), что на 4 процента меньше принятого на сегодня значения. Пока исследователи не могут объяснить новые результаты, так как они противоречат теории квантовой электродинамики, которая считается самой точной физической теорией. Коллеги авторов не исключают, что причиной расхождения может быть ошибка (или ошибки), произошедшая на одной из стадий эксперимента. Еще одно возможное объяснение - ошибки в положениях теории квантовой электродинамики. И, наконец, третий вариант, о котором специалисты говорят с очень большой осторожностью, - новые результаты свидетельствуют о том, что у протона существуют абсолютно неизвестные физикам свойства».

Вот, что приходит в голову по поводу этого исключительно важного сообщения.
Прежде всего нужно вспомнить, что электрон в атоме в ассоциации с протоном не является частицей, в форме которой он существует, находясь вне этой системы. Внутри этой системы его можно представить в форме объемного энергетического вихря, обладающего определенной кинетической энергией и отрицательным электрическим зарядом. Как часто говорят, «Облака», форма которого и значение его массы инерции определяется занимаемым им в атоме энергетическим уровнем.

Следующим, что нужно иметь в виду для того, чтобы получить достаточно логичные объяснения полученным в упомянутом эксперименте результатам, что согласно Концепции MWT кинетическая энергия представляет собой некую потенциальную энергию, которая накапливается в пространстве Более Высокой Мерности (БВМ) в процессах различных в нашем мире взаимодействий, и может возвращаться обратно в наш мир в ответ на приложение к физическому объекту, ею обладающему, воздействия, противоположного тому, которое было в процессе ее накопления. (Вывод из описания решений математики Янга-Миллса).

И, наконец, еще одно и самое важное для понимания рассматриваемой проблемы обстоятельство. Как когда-то написал Платон: « Идея вещи есть цельность всех составляющих её частей, неделимая на эти части». Иными словами, замена электрона в системе ассоциированных протона с электроном на мюон не только замена одного из составляющих систему элементов на другой, это - замена одной находящейся в стабильном динамическом равновесном состоянии системы на другую, которая, тем не менее, также должна оставаться в стабильном динамическом равновесном состоянии. А это новое состояние может образоваться только в том случае, если произойдут какие-то изменения у всех составляющих систему элементов. В нашем случае - должен каким-то образом измениться и протон. Еще раз: « Идея вещи есть цельность всех составляющих её частей, неделимая на эти части».

Для пояснения выдвинутого предположения можно сказать следующее.

Чтобы сохранить вновь образовавшуюся систему в таком же динамическом равновесии, более тяжелый мюон естественно должен приблизиться к тому, чем стал новый протон. Чтобы удержать мюон в новой системе, протон должен найти в себе для этого достаточно энергии. И самым центральным для удовлетворительного объяснения наблюдаемого в результате эксперимента вывода является ответ на вопрос - откуда она может у него появиться?

Протон представляет собой ассоциацию трех кварков, энергия которых практически полностью состоит из кинетической энергии вращения и которые составляют систему, находящуюся в динамическом равновесном состоянии, поддерживаемом взаимодействием конфайнмента, взаимодействием «Наоборот», которое с ростом расстояния между физическими объектами увеличивается, а с уменьшением расстояния - ослабевает.

Поскольку это динамическое равновесие может поддерживаться неопределенно долгое время, а подобные динамические равновесные системы подвергаются постоянным возмущениям, но какого-то источника корректирующей эти возмущения энергии в нашем мире пока не нашлось, остается предположить, что корректирующая энергия может поступать лишь из пространства БВМ.

Подобным возмущением по сути является и замена электрона на мюон, а получить ту необходимую протону энергию, которая была уже упомянута, он также может лишь из пространства БВМ. Но, в таком случае, если меняется внутренняя энергия протона, в нем изменяются и условия нового состояния конфайнмента. Скорее всего, кварки должны сблизиться для увеличения внутренней энергии системы, или, иными словами, создать, тем самым, новый протон. Что и обнаруживается в упомянутом эксперименте и, скорее всего, сможет найти свое подтверждение в достаточно адекватной математической модели, отображающей этот феномен.

Тимофей Гуртовой

РАДИУС ПРОТОНА

Микромир, изучением которого занимается квантовая физика, является второй, однако визуально ненаблюдаемой частью материального Мира. Этот мир представлен широким спектром дискретности, в виде элементарных частиц, начиная с атомов и заканчивая короткоживущими, получаемыми при дроблении материи на ускорителях.

Внутреннее содержание элементарных частиц существующей физике известно лишь в пределах таблицы Менделеева. О конструкции же только предположительно, что она по устройству якобы является копией планетарной системы. Так уж повелось, что описание чего-либо нового, в существующей физике начинается с порочного метода аналогий уже чему-то известному. Хотя Природа не так глупа, как мы, её изучающие, часто в своих умозрительных проектах это представляем.

Физике рациональной о микромире известно намного больше, чем это известно физике существующей . Об этом сказано в достаточной полноте в моих статьях, на сайте «Кулички» в разделе «Физика». Аннотации к ним с адресами имеются в блогах, на проекте «Мой мир».

Микромир .

Самыми малыми стабильными частицами являются электрон и протон .

В физике существующей характеризуются четырьмя основными параметрами: массой, радиусом, зарядом и спином.

Электрон полагается частицей, обладающей отрицательным единичным зарядом. Протон - таким же по величине, но положительным зарядом.

В Физике рациональной - только тремя, т. е. теми же параметрами, исключая заряд, потому, что в нём нет необходимости. Поскольку полярность частиц величина относительная и определяется законом Потенциальной Градации материи , являясь функцией степенного радиуса частицы в обратном порядке.

Разница в радиусах этих частиц невелика. Классический радиус электрона – 2,81794⋅фм.

Радиус протона определённый экспериментально в 2009 г. группой физиков возглавляемой доктором Рандольфом Полем (Randolf Pohl) из института квантовой оптики Макса Планка, оказался равным - 0,8768 фм.

Почему частица, обладающая массой в 1836 раз большей, имеет меньший радиус, с позиций физики существующей , непонятно. Однако Физика рациональная этот кажущийся парадокс объясняет.

Электрон является единственной из стабильных частиц, внутреннее содержание которой, моноструктурно . Остальные, будучи атомами элементов, в том числе и протон - полиструктурны , имеют сложную внутреннюю структуру.

Электронов-шариков, летающих по орбитам вокруг ядра из нуклонов, подобно планетам, движущимся вокруг Солнца, в атомах нет. Нет там и ядра состоящего из нуклонов. Все составляющие внутреннюю структуру атомов элементы – электроны, нуклоны и составленные из них, тех и других группы – кварки (об этом было сказано ранее, при объяснении, почему они не обнаруживаются в свободном состоянии), образуют кольца, вращающиеся вокруг вакуумного керна. Все кольца разделены мизерными пространствами вакуума, которые являются структурным элементом потенциальной связи, крепко сцепляющей всю структуру сложной микрочастицы. Наличие этих пространств вакуумной связи и позволяет атомам иметь прочную целостность массы, стянутой в малый объём.

Это обстоятельство и определяет факты, что протон при большей массе, обладает меньшим радиусом, чем электрон, и является относительно него электрически положительным.

А поскольку более плотная частица обладает большим относительным электрическим потенциалом потому, что её поверхность находится ближе к вакуумному керну, чем поверхность менее плотной, значит, потенциал частицы, это потенциал её поверхности.

Эксперимент по проверке величины радиуса протона .

Описание с позиций физики существующей .

При экспериментах с мезонами (1955 – 1956гг.), Л. Альварес с сотрудниками обнаружили эффект, что мюон, имея массу большую массы электрона, может проявить себя в качестве «тяжелого атомного электрона». При этом образуется так называемый мюонный водород .

Методика эксперимента, как утверждают его авторы, и предусматривала использование этого факта, - замену электрона в атоме водорода, на частицу менее стабильную – мюон , которая в 207 раз тяжелее электрона.

А, учитывая обстоятельство, что, согласно физике существующей, электрон якобы обращается вокруг протона не по строго установленным траекториям - эта элементарная частица может занимать определенные энергетические уровни, посему можно, выяснив, какова разница энергии между двумя этими уровнями, и на основании положений теории квантовой электродинамики вычислить радиус протона.

Основанием полагать, таким образом, было следующее.

В 1947 году американские физики Уиллис Юджин Лэмб и Роберт Резерфорд установили, что электрон в атоме водорода может колебаться между двумя энергетическими уровнями (это явление получило название лэмбовского сдвига) .

Сделано это было так. Использовался мощный ускоритель мюонов в швейцарском институте Пауля Шеррера. В емкость, содержащую атомы водорода, запускали мюоны.

После этого, при помощи лазера со специально подобранными характеристиками физики придавали мюону дополнительную энергию, которой, как они говорят, «точно хватало для перехода на следующий уровень» .

После этого, поясняют: «практически сразу мюон вновь возвращался на более низкий энергетический уровень, испуская при этом рентгеновское излучение» .

Рис. 1. Иллюстрация переходов мюонов и излучение, испускаемое в процессе перескока частиц между «орбиталями», согласно физике существующей (иллюстрация Nature).

Анализируя это излучение, была определена энергия уровня, а затем и радиус протона.

Однако радиус протона, полученный экспериментаторами, на 4% меньше принятого на сегодня значения.

Пока причину такого большого расхождения исследователи объяснить не могут. Причин может быть несколько.

1. Ошибка (или ошибки), произошедшая на одной из стадий эксперимента.

2. Ошибки в положениях теории квантовой электродинамики.

3. Новые результаты свидетельствуют о том, что у протона существуют абсолютно неизвестные физикам свойства.

Описание с позиций Физики рациональной .

Во-первых, относительно так называемого лэмбовского сдвига .

Молекулярно-кинетическая теория, объясняющая возникновение теплоты, за щёт кинетики молекул, несостоятельна. Это уже понятно всем. Теплоту создаёт ЭМ излучение, возникающее при торможении элементарных частиц.

Атомы (молекулы) вещества находятся в непрерывной пульсации. Этот процесс сопровождается выбросом его порций, которые формируются в пространственные образования в виде электронов. Взаимодействуя с пространственной средой, возникшие электроны, тормозясь, излучают ЭМ кванты.

Поглощают ЭМ кванты только частицы, имеющие сложную структуру, т. е. все (атомы, молекулы), кроме электронов. Поглощение приводит к перестройке их внутренней структуры и большей амплитуде пульсаций. Именно этот процесс и наблюдали в 1947 г. американские физики Уиллис Юджин Лэмб и Роберт Резерфорд, приняв изменение амплитуды пульсаций протона за якобы переход его электрона на иную «орбиталь».

Протон, как и все атомы, непрерывно воспринимая извне ЭМ кванты теплового и светового диапазонов, пульсируя, выбрасывая частички своей материи, которые тут же тормозясь и лишаясь, за щот излучения, энергии, расплываясь, превращаются в частицы эфира, которые рассредоточиваются в Пространстве.

Всё это и создаёт видимость размытых, не четких его границ.

«Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры, но, разумеется, его нельзя представлять как «твердый шарик» - четкой пространственной границы у него нет.

Если следовать современным физическим теориям, протон скорее напоминает облако с размытыми краями, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц» .

Теперь по поводу процесса в ходе эксперимента. Никакой замены электрона в атоме водорода мюоном, не происходит. Да и водород там был нужен только в качестве своего рода «катализатора» в процессе.

Ускоряемый мюон, согласно закону сохранения энергии и массы в движении приобретая дополнительную массу, становится более тяжелым, но не настолько, чтобы за счёт этого ускорения достичь массы протона. Лазерный луч, своей энергией доводит процесс утяжеления мюона до массы, большей массы протона. То есть происходит обычная накачка частицы энергией, как в лазере.

После этого частица становится настолько тяжелой, искусственно радиоактивной, что при первом же взаимодействии с атомом водорода, попавшимся на её пути, тормозясь, «разрешается» своим «бременем», испуская ЭМ квант и теряя внутреннюю энергию до величины своей стабильности . При этом она полностью теряет и свою энергию кинетическую , т. е. превращается в частицу в состоянии покоя . Таким образом, тот радиус, который был экспериментаторами вычислен на основании результатов полученных в эксперименте, - это радиус покоя протона .

Каким образом, и по какой методике был произведён расчёт радиуса протона экспериментаторами, исходя из полученной величины энергии рентгеновского кванта, мне не ведомо.

Однако, если скорость мюонов была – V = 0,4 C, то всё верно. Согласно Физике рациональной, нулевая масса у протона именно такая.

2012, Vol. 35, No. 4, P. 349 – 363.

УДК 539.1 + 53.081.6 + 539.125.4

Радиус протона в самосогласованной модели

Федосин Сергей Григорьевич

г. Пермь, Пермский край, Россия

e - mail intelli @ list . ru

Исходя из представления о сильной гравитации, действующей на уровне элементарных частиц, и из равенства магнитного момента протона предельному магнитному моменту вращающегося неоднородно заряженного шара, находится радиус протона, согласующийся с экспериментальными данными. Одновременно выводится зависимость распределения плотности массы и заряда внутри протона. Отношение плотности в центре протона к средней плотности получается равным 1,57.

Ключевые слова: сильная гравитация; волны де Бройля; магнитный момент; радиус протона.

PACS: 12.39.Pn, 14.20.Dh

1. Введение

С момента открытия протона в 1917 году возник вопрос о том, как определить радиус этой элементарной частицы. Существует немало теоретических моделей для оценки радиуса протона. Большинство из этих моделей связано с представлением об электромагнитных форм-факторах как поправках, за счёт которых амплитуда рассеяния частиц на протоне отличается от амплитуды рассеяния на точечной частице. Расчёт форм-факторов достаточно сложный и требует учёта множества факторов, среди которых радиальное распределение плотности заряда и магнитного момента, динамика кварков, партонов и виртуальных частиц. При этом могут использоваться различные подходы – теория рассеяния, киральная теория возмущений, решёточная квантовая хромодинамика и т.д., описание которых можно найти в , . Форм-факторы определяются из экспериментов по рассеянию, зависят от энергии взаимодействующих частиц и позволяют найти среднеквадратичные распределения заряда и магнитного момента как меры размеров частиц. Информация о радиусе протона может быть извлечена из анализа сдвига Лэмба в атоме водорода, а также в связанной системе из протона и отрицательного мюона .

2. Другие оценки радиуса протона

Рассмотрим некоторые простые методы определения радиуса протона. Один из них основан на том, что в частицах при их возбуждении возникают стоячие электромагнитные волны. Максимальная энергия таких стоячих волн не превышает энергии покоя во избежание распада частиц. Отсюда выводится, что волны де Бройля являются электромагнитными колебаниями, обнаруживаемыми в лабораторной системе отсчёта при взаимодействии движущихся частиц. Для описания таких колебаний необходимо применить преобразования Лоренца к стоячим волнам внутри частиц и найти их вид в лабораторной системе отсчёта , .

В простейшем случае стоячие сферические волны моделируются двумя волнами, одна из которых бежит от центра к поверхности частицы, а другая в то же время движется обратно. Можно считать, что в направлении какой-либо выделенной оси, например , имеются две встречные волны следующего вида:

здесь , − начальные фазы колебаний при , − амплитуда периодической функции, и обозначают угловую частоту и волновое число, а штрихи перед переменными означают, что они рассматриваются в системе покоя частицы.

В качестве может быть любая периодическая функция, удовлетворяющая волновому уравнению. Например, это может быть напряжённость или потенциал поля волны. Фазы волн в (1) должны быть сдвинуты на для возникновения стоячей волны. Если , , то в центре частицы при всегда будет узел как отсутствие видимых колебаний, и (1) становится таким:

В результате колебаний (2) внутри частицы могут периодически изменяться скорости зарядов вещества частицы и потенциалы поля. Это неизбежно приводит к появлению периодических колебаний потенциалов поля и за пределами частицы, в окружающем её пространстве.

Пусть теперь частица вместе со своей стоячей волной движется вдоль оси лабораторной системы отсчёта со скоростью . Как видоизменятся колебания поля внутри и за пределами частицы в связи с её движением? Нам необходимо выразить в (2) штрихованные координаты и время внутри движущейся частицы через координаты и время лабораторной системы отсчёта с помощью преобразований Лоренца (обозначает скорость света):

,,,,

.(3)

Из (3) видно, что вследствие перемещения стоячей волны вместе с частицей, для внешнего неподвижного в лабораторной системе отсчёта наблюдателя меняются длина волны и частота. Точнее говоря, на наблюдаемой волне появляются дополнительные пучности, с длиной волны между ними, отличающимися от длины волны в системе отсчёта частицы. Остановим на мгновение волну (3) при и найдём длины волн как пространственное разделение между точками волны в одной и той же фазе. При синус в (3) будет равен нулю, а при фаза синуса изменится от до . Отсюда имеем:

,.(4)

Аналогично для длины волны у косинуса в (3) находим:

,.(5)

Оценим теперь временное разделение между точками волны в одной фазе при , считая это разделение соответствующим периодом волны:

,.(6)

,.(7)

Из (4) − (7) следуют следующие выражения для скоростей:

,.(8)

Как видно из (8), колебания волны (3), связанные с косинусом, распространяются с фазовой скоростью волны де Бройля . Кроме этого, колебания волны (3), связанные с синусом, движутся в пространстве с той же скоростью , что и сама частица. Длину волны в (5) можно преобразовать так, чтобы привести её к стандартному виду для длины волны де Бройля. Свяжем угловую частоту колебаний внутри частицы, аналогично электромагнитной волне, с энергией колебаний: , где – постояннаяДирака, – постоянная Планка. Это даёт следующее:

Аналогично из (4) имеем:

.(10)

В предельном случае, когда энергия колебаний сравнивается с энергией покоя частицы, , из (9) следует:

,(11)

где – масса частицы, – релятивистский импульс частицы.

Формула (11) определяет длину волны де Бройля через импульс частицы. Заметим, что и сам де Бройль написал формулу (11) при условии, что энергия частицы равна энергии волны, сопровождающей частицу.

Согласно полученному нами выражению (9), длина волны должна присутствовать у частицы и при малой энергии возбуждения . При этом по мере уменьшения энергии возбуждения длина волны увеличивается.

Как правило, в экспериментах обнаруживается только из (11), а не длина волны из (9).

Это может происходить потому, что среди множества взаимодействующих частиц одновременно присутствуют частицы с разными энергиями возбуждения и разными , так что волновые явления размываются. Это же касается и для волн с длиной волны в (10). Лишь для самых энергично взаимодействующих частиц, энергии возбуждения которых близки к энергии покоя частиц, достигается граничное значение длины волны, равное длине волны де Бройля. Тем самым эта длина волны и проявляется в эксперименте. При можно предсказать у частиц также и волновые явления с граничной длиной волны .

В частности, есть комптоновская длина волны, обнаруживаемая в эффекте Комптона. Согласно нашей точке зрения появление волны де Бройля следует трактовать как чисто релятивистский эффект, возникающий как следствие лоренцевского преобразования стоячей волны, движущейся вместе с частицей.

В результате мы вынуждены принять, что корпускулярно-волновой дуализм реализуется в полной мере только у тех конкретных частиц, у которых энергии возбуждения достигают их энергии покоя. При этом различие частиц и квантов поля в волновом отношении стирается. При малых энергиях возбуждения частицы не могут сильно излучать свою энергию, и амплитуды колебаний потенциалов поля возле частиц будут невелики. Тогда частицы взаимодействуют между собой скорее не волновым, а обычным способом, и волновые явления становятся незаметными.

Если теперь предположить, что длина стоячей волны равна , где – радиус протона, то из равенства энергии волны и энергии покоя протона получается:

,,м,

здесь – частота колебаний, – масса протона.

Другой способ оценки радиуса протона предполагает, что разность энергий покоя нейтрона и протона возникает вследствие электрической энергии заряда протона. В таком случае должно быть:

,(12)

где – масса нейтрона, – элементарный заряд, – электрическая постоянная.

В (12) для случая однородного распределения заряда по объёму протона , в результате оценка радиуса протона даёт значение м.

В и радиус протона находился из того условия, что предельный момент импульса поля сильной гравитации внутри протона равен по величине спину протона. Это приводит к формуле:

м.(13)

В (13) используется постоянная сильной гравитации . Согласно данная постоянная определяется из равенства электрической силы и силы от поля сильной гравитации, действующих в атоме водорода на электрон с массой , который находится в основном состоянии на радиусе Бора :

,м 3 ∙кг –1 ∙с –2 ,(14)

Кроме сил притяжения от гравитации и зарядов ядра и электрона, в атоме водорода на вещество электрона в виде вращающегося диска действуют и силы отталкивания в сторону от ядра. Одной из этих сил является электрическая сила расталкивания заряженного вещества электронного облака самого от себя. В той вращающейся неинерциальной системе отсчёта, в которой произвольная часть вещества электрона неподвижна, появляется также сила инерции в виде центробежной силы, зависящей от скорости вращения этого вещества вокруг ядра. В первом приближении указанные силы равны друг другу по величине, что и приводит к (14).

Напомним, что идея сильной гравитации была введена в науку в трудах Абдуса Салама и группы его сотрудников , как альтернативное объяснение сильного взаимодействия частиц. В предположении, что адроны могут быть представлены как Керр-Ньюмановские чёрные дыры, они оценили постоянную сильной гравитации как величину порядка м 3 ∙кг –1 ∙с –2 .

С помощью постоянной сильной гравитации (14) можно выразить постоянную тонкой структуры:

.

Ещё одна оценка радиуса протона вытекает из равенства энергии покоя и модуля полной энергии, с учётом теоремы вириала приблизительно равной половине модуля энергии сильной гравитации, связанной с протоном :

.(15)

Если взять для случая однородного распределения массы, то из (15) следует, что м.

Все указанные выше оценки основываются на классическом подходе к протону как к материальному объекту малых размеров в виде шара радиуса . При этом предполагается, что сильная гравитация действует на уровне элементарных частиц точно так же, как обычная гравитация на уровне планет и звёзд.

В Стандартной модели элементарных частиц и в квантовой хромодинамике считается, что нуклоны и другие адроны состоят из кварков, причём у барионов три кварка, а у мезонов два кварка. Вместо сильной гравитации предполагается действие глюонных полей, удерживающих кварки в адронах. Кварки полагаются заряженными элементарными частицами, поэтому в качестве радиуса протона рассматриваются зарядовый и магнитный среднеквадратичные радиусы. Эти радиусы определяются электрическим и магнитным взаимодействием протона и могут отличаться друг от друга.

Оценка среднеквадратичного зарядового радиуса протона может быть сделана с помощью экспериментов по рассеянию заряженных частиц на протонной мишени . В таких экспериментах находятся полные сечения взаимодействия частиц . Для случая рассеяния протонов на нуклонах при энергиях более 10 ГэВ можно считать, что , причём м 2 . Отсюда получается, что м.

3. Самосогласованная модель

Поставим своей целью найти более точное значение радиуса протона с помощью классических методов. При вычислениях мы будем использовать только табличные данные о массе, заряде и магнитном моменте протона. Протон будем рассматривать с точки зрения теории бесконечной вложенности материи , в которой аналогом протона на уровне звёзд является магнитар или заряженная нейтронная звезда с очень большим магнитным и гравитационным полем. Подобно магнитару, вещество протона должно быть замагниченно и скрепляться полем сильной гравитации.

С целью учёта неоднородности плотности вещества внутри протона используем простую формулу, в которой плотность вещества изменяется линейным образом с нарастанием к центру:

,(16)

где – центральная плотность, – текущий радиус, – коэффициент, подлежащий определению.

Формулу (16) следует рассматривать как первое приближение к реальному распределению плотности вещества внутри протона. Приблизительная линейность зависимости плотности вещества в нейтронных звёздах была показана в , и мы предполагаем, что это справедливо также для протона как аналога нейтронной звезды.

Для оценки величины и радиуса рассмотрим интеграл для массы протона в сферических координатах:

.(17)

Для точного расчёта состояния нейтронных звёзд, а значит и протонов как их аналогов, следует учитывать искривление пространства-времени под действием сильного гравитационного поля, а также вклад энергии гравитационного поля в общую массу-энергию. Мы будем считать, что в (16) в зависимости плотности вещества от радиуса уже учтены все релятивистские эффекты, а масса протона (17) является гравитационной массой с точки зрения удалённого наблюдателя.

,(18)

где − плотность энергии поля сильной гравитации согласно , − гравитационное ускорение.

В (18) интегрирование плотности энергии поля необходимо производить как внутри, так и за пределами протона. Величину внутри протона удобно находить путём интегрирования уравнения для поля сильной гравитации , входящего в состав уравнений лоренц-инвариантной теории гравитации . После интегрирования по сферическому объёму некоторого радиуса , с последующим использованием теоремы Гаусса, то есть с переходом на интегрирование по площади указанной сферы внутри протона, с учётом (17) получается:

.(19)

За пределами протона гравитационное ускорение равно:

.(20)

Подставляя (19) и (20) в (18), получаем соотношение:

.(21)

В (21) можно исключить величину с помощью (17), что даёт зависимость от в виде квадратного уравнения:

Анализ данного уравнения показывает, что оно имеет следующее решение:

,(22)

при том условии, что когда , то соответственно .

Обратимся теперь к магнитному моменту протона. Как и в , мы предполагаем, что магнитный момент протона равен тому магнитному моменту, который формируется за счёт максимально быстрого вращения заряженного вещества протона. В сферических координатах магнитный момент можно приблизительно вычислить как сумму элементарных магнитных моментов отдельных колец с их радиусом , обладающих магнитным моментом за счёт протекания в них тока от вращения заряда:

(23)

Угловая скорость максимального вращения протона может быть найдена из условия предельного вращения, при равенстве центростремительной силы и силы гравитации на экваторе: . Считаем далее, что для плотностей заряда и вещества выполняется равенство , и используем (17). Это даёт следующее:

.(24 )

4. Выводы

Соотношение (24) совместно с (22) дают возможность найти радиус протона м, а также значение . Из (17) тогда получается центральная плотность вещества кг/м 3 , которая превышает среднюю плотность протона в 1,57 раз. Максимальная угловая скорость вращения протона с учётом (23) будет равна рад/с. В то же время, если бы спин протона в приближении однородной плотности вещества равнялся бы стандартной величине для спина фермиона: , то такому спину соответствовала бы угловая скорость вращения рад/с.

Для сравнения с экспериментальными данными укажем на результаты расчётов электронного рассеяния из , где среднеквадратичный зарядовый радиус м получается при учёте только рассеяния на протонах, м с учётом данных пионного рассеяния, и м с учётом данных о рассеянии на нейтронах. В работе нашли среднеквадратичный зарядовый радиус м при изучении связанной системы из протона и отрицательного мюона. Изучение сечения рассеяния поляризованных фотонов на протонах даёт зарядовый радиус м и магнитный радиусм. Зарядовый радиус м и магнитный радиус м протона указаны на сайте Particle data group . В базе данных CODATA з арядовый радиус протона равен м.

Полученное нами в рамках самосогласованной модели значение м близко к экспериментальным значениям радиуса протона, что подтверждает возможность применения идеи сильной гравитации для описания сильного взаимодействия элементарных частиц.

Список использованных источников

1. C. F. Perdrisat, V. Punjabi, and M. Vanderhaeghen. Nucleon Electromagnetic Form Factors . Prog. Part. Nucl. Phys., 2007, Vol. 59, Issue 2, P. 694–764.

2. J. Arrington, C. D. Roberts, and J. M. Zanotti. Nucleon electromagnetic form factors . Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, 2007, Vol. 34, No 7, S23.

3. Randolf Pohl at all. The size of the proton . Nature , 2010, Vol. 466 , P. 213 – 216 .

4. Федосин С.Г. Физика и философия подобия от преонов до метагалактик. Пермь, Стиль-МГ, 1999, 544 стр., Табл.66, Ил.93, Библ. 377 назв. ISBN 5-8131-0012-1.

5. Федосин С.Г. . Пермь, 2009, 842 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.

6. Федосин С.Г. Современные проблемы физики. М.: Эдиториал УРСС, 2002, 192 стр., Ил.26, Библ. 50 назв. ISBN 5-8360-0435-8.

7. Федосин С.Г., Ким А.С. . Известия вузов. Физика, 2002, Т. 45, №. 5, С. 93 – 97.

8. Salam A. and Sivaram C. Strong Gravity Approach to QCD and Confinement. Mod. Phys. Lett., 1993, Vol . A8(4), P. 321–326.

9. Sivaram, C. and Sinha, K.P. Strong gravity, black holes, and hadrons. Physical Review D, 1977, Vol. 16, Issue 6, P. 1975–1978.

10. Барашенков В.С. Сечения взаимодействия элементарных частиц. М.: Наука, 1966.

11. Infinite Hierarchical Nesting of Matter – en.wikiversity.org.

12. Riccardo Belvedere, Daniela Pugliese, Jorge A. Rueda, Remo Ruffini, She-Sheng Xue. Neutron star equilibrium configurations within a fully relativistic theory with strong, weak, electromagnetic, and gravitational interactions . Nuclear Physics A, 2012, Vol. 883, P. 1–24.

13. Fedosin S.G. Electromagnetic and Gravitational Pictures of the World . Apeiron, 2007, Vol. 14, No. 4, P. 385 –413.

14. Richard J. Hill, Gil Paz. Model independent extraction of the proton charge radius from electron scattering . Physical Review D, 2010, Vol. 82, Issue 11, 113005 (10 pages).

15. X. Zhan, et al. High Precision Measurement of the Proton Elastic Form Factor Ratio μ p G E / G M at low Q 2 . Phys. Lett., 2011, B705, P. 59–64.

16. J. Beringer et al . (Particle Data Group). Review of Particle Physics . Phys. Rev. D 86 , 010001 (2012) .

17. P.J. Mohr, B.N. Taylor, and D.B. Newell (2011), The 2010 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants . National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899.

The radius of the proton in the self-consistent model

Based on the notion of strong gravitation, acting at the level of elementary particles, and on the equality of the magnetic moment of the proton and the limiting magnetic moment of the rotating non-uniformly charged ball, the radius of the proton is found, which conforms to the experimental data. At the same time the dependence is derived of distribution of the mass and charge density inside the proton. The ratio of the density in the center of the proton to the average density is found, which equals 1.57 .

Пол и его коллеги не использовали электроны для измерения протона. Вместо этого, они подключили к делу другую негативно заряженную частицу, которая называется мюон. Мюон в 200 раз тяжелее электрона, поэтому его орбиталь по отношению к протону располагается в 200 раз ближе. Такой вес облегчает задачу ученых предсказать, на какую орбиталь смещается мюон, а следовательно более точно узнать размер протона.

«Мюон ближе к протону и ему лучше его видно», - говорит Пол.

Возможные объяснения

Эти измерения с помощью чувствительных мюонов и обеспечили физикам неожиданные результаты. Совершенно неожиданно. Теперь физики пытаются объяснить расхождения.

Самым простым объяснением может быть элементарная ошибка в расчетах. Примерно так же физики опростоволосились, когда выяснили, что нейтрино могут двигаться быстрее скорости света. Пол говорит, что «скучное объяснение» наиболее вероятно, но не все физики с ним согласны.

«Не могу сказать, что в эксперимент закралась ошибка», - говорит физик из Массачусетского технологического института Ян Бернауэр.

Он также не отрицает, что измерения с помощью электронов проводились много раз, и что если в мюонный эксперимент закралась погрешность и он был проведен неправильно, результаты, конечно же, аннулируются.

Но если «эксперимент невиновный», могут быть ошибки и в расчетах, а значит «мы знаем, что происходит, просто считаем неправильно», отмечает Бернауэр.

Самым захватывающим может быть то, что расхождение положит начало новой физике, которая не объясняется Стандартной моделью и , но все так же исправно работает. Возможно, физики чего-то не знают о том, как мюоны и электроны взаимодействуют с другими частицами. Так считает Джон Аррингтон, физик из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.

Возможно, фотоны - не единственные частицы, которые переносят силу между частицами, и в дело вошла доселе неизвестная частица, которая и породила непонятные результаты в измерении протона.

Что дальше?

Чтобы выяснить, что происходит, физики запускают целый ряд экспериментов в разных лабораториях. Одним из основных направлений исследований будет тестирование электронного рассеяния, чтобы убедиться, что оно работает правильно, и не искать без вины виноватый мюон.

Друга цель - эксперименты с рассеянием, но вместо электронов для обстрела будут использоваться мюоны. Этот проект под названием MuSE (Muon Scattering Experiment, или эксперимент рассеяния мюонов) будет иметь место в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии. Там есть все необходимые установки для высокоточных экспериментов, более того, там появится возможность провести электронное и мюонное рассеяние в одном эксперименте.

«Есть надежда, что нам удастся во второй раз повторить результаты первого эксперимента», - говорит Аррингтон. - «Если расхождение останется, мы заглянем в ту же коробку и посмотрим, есть ли определенная зависимость от места проведения эксперимента, или же электроны и мюоны преподнесут нам нечто принципиально новое?».

Сбор данных начнется в 2015-2016 году. Аррингтон отметил, что вопрос размера протона пока будет находиться в подвешенном состоянии.

«Это не так просто. Мы надеемся уточнить его минимум за 10 лет, но это оптимистичные прогнозы».

Радиус протона оказался на 4 процента меньше, чем считалось до сих пор. Такой вывод был сделан группой физиков, которые провели самое точное на сегодняшний день измерение радиуса элементарной частицы.

Протон наряду с нейтроном входит в состав атомных ядер. Напрямую определить размер этой частицы нельзя, так как у нее нет четкой пространственной границы. Тем не менее, ученые могут оценить радиус протона, определив, насколько далеко простирается его положительный заряд. Для того чтобы провести такие измерения, исследователи работают с атомами водорода, которые состоят из одного протона и одного электрона. Электрон обращается вокруг протона не по строго установленным траекториям - эта элементарная частица может занимать определенные энергетические уровни. В 1947 году американские физики Уиллис Юджин Лэмб и Роберт Резерфорд установили, что электрон в атоме водорода может колебаться между двумя энергетическими уровнями (это явление получило название лэмбовского сдвига). Выяснив, какова разница энергии между двумя этими уровнями, ученые могут на основании положений теории квантовой электродинамики вычислить радиус протона, уточняет портал ScienceNOW.

Авторы новой работы решили уточнить полученные ранее оценки размера протона, использовав необычную технологию эксперимента. Физики получали структуру, подобную атому водорода, в которой вместо электрона находился мюон - отрицательно заряженная электронная частица в 207 раз тяжелее электрона. Из-за разницы в массе мюон обращается приблизительно в 200 раз ближе к протону и изменения его энергетических уровней намного сильнее зависят от характеристик протона.

Используя самый мощный ускоритель мюонов в швейцарском институте Пауля Шеррера, ученые "запускали" мюоны в емкость, содержащую атомы водорода. При этом примерно каждый сотый мюон, заменивший электрон, "проваливался" до более высокого энергетического уровня из "разрешенных" лэмбовским сдвигом. Такие частицы существовали в течение двух микросекунд, что на порядок дольше, чем в проводимых ранее экспериментах. При помощи лазера со специально подобранными характеристиками физики придавали мюону дополнительную энергию, которой точно хватало для перехода на следующий уровень. Практически сразу мюон вновь возвращался на более низкий энергетический уровень, испуская при этом рентгеновское излучение, поясняет Wired. Анализируя это излучение, специалисты смогли определить энергию уровня и затем радиус протона. Здесь можно увидеть видео на английском языке, в котором отражены основные этапы эксперимента.

По итогам проведенных опытов ученые вычислили, что радиус протона составляет 0,84184 фемтометров (фемтометр - это 10-15 метра), что на 4 процента меньше принятого на сегодня значения. Пока исследователи не могут объяснить новые результаты, так как они противоречат теории квантовой электродинамики, которая считается самой точной физической теорией. Коллеги авторов не исключают, что причиной расхождения может быть ошибка (или ошибки), произошедшая на одной из стадий эксперимента. Еще одно возможное объяснение - ошибки в положениях теории квантовой электродинамики. И, наконец, третий вариант, о котором специалисты говорят с очень большой осторожностью, - новые результаты свидетельствуют о том, что у протона существуют абсолютно неизвестные физикам свойства.