Глава 156. Виновник тайны радиуса протона •
По сравнению с волнением и безумием членов команды, Сюй Чуань был гораздо спокойнее.
Это значение действительно было немного неожиданным для него, и можно даже сказать, что оно вошло в историю.
Но он также пережил большие бури и не был так взволнован, чтобы кричать, как другие члены команды.
Более того, не факт, что физическое сообщество признает число 0,831 фемтометра.
Проблема загадки радиуса протона не так проста в решении.
Если в математике у задачи есть решение и ответ, то, как только подтверждается, что это решение и ответ верны, можно объявить, что задача полностью решена.
Но физическое сообщество - нет, по крайней мере, не перед лицом такого спорного вопроса.
Ответ, полученный в результате экспериментальных расчётов и проверок, не так надёжен и убедителен.
Если вы хотите, чтобы физическое сообщество полностью приняло это число, вам нужен, по крайней мере, ещё один совершенно другой метод измерения, чтобы получить то же самое или очень близкое число.
Два совершенно разных эксперимента, дающие один и тот же набор данных, которые можно воспроизвести, - вот что нужно для обеспечения точности радиуса протона.
Один набор экспериментов ничего не доказывает.
Но теперь, как и безумие членов команды, они действительно установили новый рекорд.
Мир физики элементарных частиц будет потрясён этим ответом.
Сюй Чуань может гарантировать, что его эксперимент по измерению радиуса заряда атома полностью воспроизводим.
Пока нет проблем с анализом данных, радиус 0,831 фемтометра будет привязан к атому водорода и, возможно, даже станет общепринятым радиусом в физическом сообществе в будущем.
Когда волнение членов команды немного утихло, Сюй Чуань приступил к перераспределению работы.
Им нужно было перепроверить данные предыдущего анализа эксперимента, чтобы убедиться, что все данные в норме и нет никаких проблем.
Это очень важный шаг.
Только после повторного подтверждения того, что с данными экспериментального анализа нет проблем, он публично объявит об этом, иначе объявление неверных данных на пресс-конференции сделает их посмешищем.
Началась тщательная проверка, и на этот раз Сюй Чуань лично просмотрел все данные анализа.
В целом, проблем не было, но его внимание привлекли данные анализа физического изображения рассеяния гравитонов и протонов, предложенные Нанали Кесслер.
В этом анализе данных появился расчёт, который выглядел немного "ненормальным".
"Когда электронный пучок контактирует с облаком молекулярного водорода и возбуждается до состояния 3s, данные об уровнях энергии, похоже, значительно превышают предыдущие эксперименты?"
Перед экраном Сюй Чуань, поглаживая подбородок, уставился на данные расчётов.
После перерождения его чувствительность к различным числам, похоже, значительно возросла, и он сразу же нашёл проблемное место в этих данных.
Подумав немного, Сюй Чуань открыл свой ноутбук и достал из компьютера данные предыдущих экспериментов по измерению радиуса протона.
Простое сравнение показало, что действительно, в этом эксперименте по ускорению, когда электронный пучок контактировал с облаком молекулярного водорода и возбуждался до состояния 3s, данные об уровнях энергии были выше на 1,7.
Это значение не очень велико, но оно определённо повлияет на конечное значение радиуса протона.
"Что-то не так?"
В голове возник вопросительный знак, и Сюй Чуань нашёл исходные данные и начал анализировать их сам.
Анализ небольшой части экспериментальных данных не занял много времени, и менее чем за четверть часа он закончил анализ этой части исходных данных.
Работа Нанали Кесслер была безупречной, и проанализированные данные были точно такими же, как и при его повторной проверке.
"Странно, почему в этом эксперименте столкновения уровень энергии электронного пучка, контактирующего с облаком молекулярного водорода и возбуждающего его до состояния 3s, на 1,7 уровня выше, чем в исторических экспериментах столкновения?"
"Это вызвано каким-то влиянием?"
После анализа трёх исторических наборов данных экспериментов и четырёх текущих наборов данных экспериментов Сюй Чуань подтвердил, что разница в значениях существует.
Уровень энергии электронного пучка, контактирующего с облаком молекулярного водорода и возбуждающего его до состояния 3s, был на 1,7-1,8 уровня выше, чем в исторических экспериментах столкновения.
Хотя эта разница не очень велика, она действительно существует, и при подстановке в последующие расчёты она действительно повлияла на радиус протона, примерно на 0,025-0,03 фемтометра.
"Это вызвано помехами от столкновения атомов водорода с электронами в металлическом контейнере?"
Первым делом Сюй Чуань подумал о разнице между своим экспериментом и другими историческими экспериментами.
Если и есть какая-то разница между его экспериментом и предыдущими экспериментами по измерению радиуса заряда атома, то единственное отличие заключается в том, что он использовал более совершенный протонный ускоритель ЦЕРНа, чтобы отказаться от металлического контейнера, который ранее использовался для хранения облака атомов водорода, и напрямую ввести облако атомов водорода в смотровую трубу ускорителя.
В конце концов, высокоэнергетический электронный пучок, попадая в металл, вступает в реакцию с атомами металла, и его рассеяние создаёт определённые помехи для экспериментальных данных.
Однако, судя по данным предыдущих экспериментов, эти помехи не очень сильны, поэтому предыдущие эксперименты почти всегда игнорировали эту область помех.
Но теперь острое научное чутьё и интуиция данных подсказали Сюй Чуаню, что, возможно, эта часть помех от рассеяния сильнее, чем ранее считалось в физическом сообществе.
Возможно, он случайно нашёл причину, по которой традиционные эксперименты по измерению радиуса заряда атома с рассеянием электронов на протонах всегда давали радиус протона 0,87 фемтометра в загадке радиуса протона.
При этой мысли глаза Сюй Чуаня внезапно загорелись.
В традиционных экспериментах по измерению радиуса заряда атома с рассеянием электронов на протонах облако атомов водорода действительно тестировалось с помощью металлического контейнера, и это действительно могло быть проблемой.
Однако для подтверждения нужны данные.
Для него это несложно, и это вполне можно сделать с помощью данных этого эксперимента по измерению радиуса заряда атома и другого эксперимента, называемого "экспериментом по измерению спектра энергии водородоподобных атомов".
Три типа экспериментальных данных, достоверность сравнения довольно высока.
Если действительно удастся доказать, что металлический контейнер вызывает помехи рассеяния для высокоэнергетического электронного пучка, то одна из самых горячих проблем в современной физике, загадка радиуса протона, может быть решена.
Сделав глубокий вдох и успокоив бешено колотящееся сердце, Сюй Чуань ещё раз внимательно проверил имеющиеся у него данные.
Расчёты были безошибочными, и из этих восьми наборов данных, которые он проанализировал, было видно, что уровень энергии электронного пучка, контактирующего с облаком молекулярного водорода и возбуждающего его до состояния 3s, действительно был на 1,7-1,8 уровня выше, чем в исторических экспериментах столкновения.
Это вполне могло быть помехами рассеяния, вызванными тестированием облака атомов водорода через металлический контейнер, и с большой вероятностью это и есть причина, по которой радиус заряда протона отклоняется и появляются две группы сильно различающихся значений.
Теперь, когда найдена возможная причина проблемы, осталось только доказать её с помощью данных.
Сейчас ему нужно завершить проверку данных эксперимента по измерению радиуса заряда атома. А затем представить отчёт о приёмке в ЦЕРН.
Вот что нужно сделать сейчас.
Что касается только что найденной причины, то её можно будет изучить и после сдачи отчёта.
В ЦЕРНе для проведения пресс-конференции необходимо подать заявку заранее.
Например, для подачи заявки на завершение эксперимента и представление отчёта о приёмке требуется подать заявку как минимум за три дня.
Чтобы у ЦЕРНа было достаточно времени для организации "приёмщиков", а также для публикации информации о лекции, чтобы заинтересованные физики могли прийти и послушать.
Убедившись, что данные анализа эксперимента верны, и подтвердив, что рассчитанные данные радиуса протона точны, Сюй Чуань подал заявку в ЦЕРН на проведение пресс-конференции.
После подачи заявки и материалов проверочная группа ЦЕРНа завершила проверку на следующее утро и назначила пресс-конференцию через три дня.
Что касается этих трёх дней, то Сюй Чуаню нужно было хорошо подготовить материалы отчёта, продумать различные вопросы, которые могут возникнуть на отчётной конференции, а также изучить данные исторических экспериментов по измерению радиуса заряда атома, чтобы убедиться, что помехи рассеяния, вызванные металлическим контейнером для высокоэнергетического электронного пучка, действительно вызывают достаточно большое отклонение радиуса протона.
Таков был его график и задачи на эти три дня.
Но перед этим ему нужно было сделать ещё кое-что.
А именно, сообщить результаты этого эксперимента своему научному руководителю.
Его научный руководитель, Виттен, до сих пор не вернулся в Принстонский институт перспективных исследований и всё это время ждал завершения его эксперимента в отеле.
Взяв распечатанные материалы, Сюй Чуань поднялся на лифте на третий этаж.
Виттен жил здесь.
Он постучал в дверь, изнутри послышалось "Войдите", Сюй Чуань толкнул дверь и вошёл. В комнате Виттен сидел за деревянным столом и о чём-то разговаривал с другим пожилым человеком.
Услышав звук, Виттен и пожилой человек одновременно подняли головы и посмотрели на него.
"Наставник", -
позвал Сюй Чуань и поздоровался с пожилым человеком рядом: "Профессор Фрэнк, здравствуйте".
"Ты меня знаешь?" - с любопытством спросил Фрэнк Вильчек, сидевший за деревянным столом.
Сюй Чуань улыбнулся: "Ваши выдающиеся достижения в теории кварковых частиц и теории сильного взаимодействия известны всему миру".
"Я читал ваши книги "Лёгкость бытия" и "Фантастическая реальность: реальный, чудесный физический мир" и другие".
Фрэнк Вильчек улыбнулся: "Это всего лишь книги для обычных людей, а такие выдающиеся молодые люди, как ты, должны черпать знания из лучших журналов и статей".
Услышав это, Сюй Чуань улыбнулся.
Это, пожалуй, одно из самых больших увлечений этого старого профессора в жизни.
Он любит общаться с другими учёными, а также любит давать советы другим, особенно молодым учёным, что делает его другом многих, но есть и немало людей, которым не нравится эта его черта, считая, что он любит поучать.
Но в целом, к советам нобелевского лауреата большинство людей отнесутся серьёзно.
Кроме того, ещё одно увлечение этого старого профессора - писать книги.
Он написал множество научно-популярных книг по физике, таких как "Лёгкость бытия", "Фантастическая реальность: реальный, чудесный физический мир", "Вопрос красоты: великий замысел Вселенной", "Принципы всего" и так далее, и является выдающимся популяризатором науки.
Поздоровавшись с Вильчеком, Сюй Чуань достал из-за спины рюкзак, вытащил из него стопку распечатанных бумаг и передал своему научному руководителю Виттену.
"Учитель, анализ данных эксперимента по загадке радиуса протона завершён, мы получили новое значение радиуса протона, и оно меньше, чем предыдущие значения радиуса протона".
"Новые данные о радиусе протона?"
Услышав слова Сюй Чуаня, Эдвард Виттен поднял брови и с любопытством взял документы из рук Сюй Чуаня.
"0,831 x 10⁻¹⁵ м ± 0,0016 фемтометра".
"Действительно, он полностью отличается от предыдущих данных измерений, но метод, использованный ЦЕРНом в этот раз, похоже, тоже отличается от предыдущих методов измерения, это ты разработал и улучшил?"
Перелистав документы в руках, Виттен с интересом поднял голову и спросил.
По сравнению с совершенно новым радиусом протона, его больше интересовал улучшенный метод измерения, использованный ЦЕРНом в этот раз.
Сюй Чуань кивнул и сказал: "Действительно, некоторые этапы эксперимента были оптимизированы. Теоретически, металлические контейнеры, использовавшиеся в первоначальном методе, создавали определённые помехи при столкновении электронов с атомами водорода, что приводило к искажению наблюдаемых данных".
"Поэтому, исходя из этого, я попросил сотрудников ЦЕРНа впрыскивать атомы водорода непосредственно в ускорительную трубу, чтобы избежать этих помех и получить более точные данные о столкновениях".
"Но этот метод также имеет большие ограничения, он требует более мощного ускорителя для завершения", -
Виттен задумался и сказал: "Такой подход действительно может оптимизировать весь экспериментальный процесс, но теоретически степень оптимизации не должна быть настолько велика, чтобы привести к дальнейшему уменьшению радиуса протона. Были ли в твоём эксперименте какие-либо другие улучшения?"
Сюй Чуань покачал головой и сказал: "Нет, дальнейшее уменьшение радиуса протона, вероятно, действительно связано с методом, использованным в этом эксперименте с ускорением".
Услышав это, Виттен поднял веки и уставился на Сюй Чуаня.
Он остро осознал, что его ученик, возможно, что-то обнаружил.
Под пристальным взглядом своего научного руководителя Сюй Чуань снова достал из рюкзака стопку черновиков и протянул ему: "Это моё вчерашнее открытие".
"После оптимизации и улучшения эксперимента по измерению радиуса заряда атома и удаления экспериментальной установки, использующей металлический контейнер в качестве облака атомов водорода, я обнаружил, что когда высокоэнергетический электронный пучок контактирует с облаком молекул водорода и возбуждается до состояния 3s, данные об уровнях энергии примерно на 1,7-1,8 выше, чем в экспериментах по измерению радиуса заряда атома в других лабораториях".
"И у меня как раз есть данные, загруженные во время предыдущего анализа данных, из "традиционного эксперимента по измерению радиуса заряда атома методом рассеяния электронов на протонах" и "эксперимента по измерению энергетического спектра водородоподобных атомов"".
"После предварительного анализа я обнаружил, что в "традиционных экспериментах по измерению радиуса заряда атома методом рассеяния электронов на протонах" почти всегда использовались металлические контейнеры в качестве экспериментальных установок для облака атомов водорода, и в процессе эксперимента высокоэнергетический электронный пучок реагировал с металлическим контейнером, создавая помехи рассеяния".
"И эти помехи рассеяния, возможно, намного превосходят наши прежние представления".
"Возможно, эта проблема и есть главный виновник загадки радиуса протона".
Сюй Чуань кратко изложил свои мысли и открытия, а затем спокойно ждал.
Виттен взял черновики и внимательно просмотрел их.
Через некоторое время он вдруг поднял голову и сказал: "Будьте добры, дайте мне бумагу и ручку".
Его привлекли расчёты и открытия Сюй Чуаня, судя по данным анализа на черновиках, возможно, ответ действительно таков.