Зага́дка раді́уса прото́на () — колишня проблема у фізиці, що стосувалася зарядового радіуса протона. До 2010 року два незалежні методи — спектроскопія звичайного водню та розсіяння електронів на протонах — давали узгоджене значення близько 0,877 фм. Експеримент 2010 року з мюонним воднем дав приблизно на 4 % менше значення — 0,842 фм.
Нові вимірювання 2019 року та повторний аналіз даних 2022 року підтвердили менше значення. Нині розбіжність вважають розв’язаною: Particle Data Group наводить консенсусне значення 0,8409(4) фм. Вимірювання 2026 року дало 0,8406 фм.
Означення радіуса Зарядовий радіус протона визначають через формулу квантової електродинаміки. Його можна отримати як зі спектроскопії атомів, так і з розсіяння електронів на протонах.
Проблема До 2010 року радіус вимірювали двома методами.
Спектроскопічний метод Порівнюють рівні 2s- і 2p-орбіталей водню (зсув Лемба). Рівні 2s сильніше перекриваються з ядром, тому чутливі до розподілу заряду протона. Цей метод давав близько 0,8768(69) фм.
Розсіяння електронів на протонах Пучок електронів спрямовують на рідкий водень і за кутовим розподілом розсіяння отримують радіус. Результат був близько 0,8775 фм і узгоджувався зі спектроскопією звичайного водню.
Експеримент 2010 року Група Рендольфа Поля виміряла зсув Лемба в мюонному водні. Мюон приблизно в 207 разів важчий за електрон, тому орбіта ближча до ядра, і чутливість до розміру протона набагато вища. Отримали 0,84184(67) фм — приблизно на 5 стандартних відхилень менше за старе значення.
2016 року те саме зробили для мюонного дейтерію: розбіжність зросла до 7,5σ.
Як загадку розв’язали Спочатку розглядали нову фізику (порушення лептонної універсальності, новий бозон, додаткові виміри). Пізніше з’ясувалося, що старі електронні дані, ймовірно, завищували радіус через спосіб екстраполяції та аналізу ліній.
2017–2019: нові спектроскопічні вимірювання звичайного водню дали ~0,83–0,85 фм. 2019: експеримент PRad з розсіяння електронів також підтримав менше значення. 2022: повторний аналіз старих даних дав ~0,84 фм. 2026: точне вимірювання переходу 2s–6p у водні дало 0,8406(15) фм.
Див. також Протон Зсув Лемба Нерозв'язані проблеми фізики
Джерела
Workman R. L. et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics. 2022.
Borisyuk D., Kobushkin A. (2021). Two photon exchange in elastic electron scattering off hadronic systems (огляд). Ukrainian Journal of Physics. 66 (1): 3. doi:10.15407/ujpe66.1.3.