陽子半径パズル

陽子半径パズルは、陽子の大きさに関する物理学上の未解決問題である。^[1]歴史的に、陽子の電荷半径は2つの独立した方法で測定され、約0.877フェムトメートル（1 fm = 10 ⁻¹⁵ m）という値に収束した。この値は、2010年に行われた第3の方法を用いた実験によって挑戦され、半径はこれより約4%小さい0.842フェムトメートルとなった。^[2] 2019年秋に報告された新しい実験結果は、より小さい測定値と一致しており、2022年に発表された古いデータの再分析も同様である。この違いは解決されたと考える人もいるが、^{[3] [4]}この意見はまだ普遍的ではない。^{[5] [6]}

陽子の半径は量子電気力学で計算できる式で定義され、原子分光法または電子-陽子散乱から導かれる。この式には陽子の2次元パートン直径に関連する形状因子が含まれる。 ^[7]

2010年以前は、陽子の電荷半径は、分光法と原子核散乱を利用する2つの方法のいずれかを使用して測定されていました。^[8]

分光法は、水素の球対称2s軌道のエネルギーレベルを非対称2p軌道と比較するものであり、この差はラムシフトとして知られている。エネルギーレベルの正確な値は、2sレベルが原子核とより重なり合うため、原子核内の電荷分布に敏感である。^[9]水素のエネルギーレベルの測定は現在非常に正確であるため、実験結果と理論計算を比較する際の陽子半径の精度が制限要因となっている。この方法では、約0.8768(69)  fm、相対不確実性は約1%でした。^[2]

原子核の存在を立証したラザフォードの散乱実験と同様に、現代の電子-陽子散乱実験では、高エネルギー電子のビームを20cmの液体水素の管に送り込む。 ^[10]結果として生じる電子と陽子の角度分布を分析して陽子の電荷半径の値を生成する。分光法と一致して、これにより陽子の半径は約0.8775(5)  fm . ^[11]

2010年、ポールらは、通常の水素ではなくミューオン水素を利用した実験の結果を発表しました。概念的には、これは分光法に似ています。しかし、ミューオンの質量ははるかに大きいため、電子よりも水素原子核に207倍近い軌道を周回し、その結果、陽子のサイズに非常に敏感になります。その結果得られた半径は次のように記録されました。0.842(1) fm、以前の測定値より5標準偏差（5 σ）小さい。^[2]新たに測定された半径は、1％以内の精度であると考えられていた以前の測定値より4％小さい。（新しい測定の不確実性限界はわずか0.1％であり、差異にはほとんど影響しません。）^[12]

2016年8月にポールらが行った追跡実験では、重水素原子を使ってミューオン重水素を生成し、重水素半径を測定した。この実験により、測定精度は2.7倍向上したが、予想値よりも7.5標準偏差小さい差異も見つかった。^{[13] [14]}

この異常現象は未解決のままであり、現在も研究が続けられている。古いデータの妥当性を疑う決定的な理由はまだない。^[8]当面の懸念は、他のグループがこの異常現象を再現するかどうかである。^[8]

実験証拠の不確実性にもかかわらず、理論家たちは矛盾する結果の説明を試み続けている。仮説上の説明としては、三体力^[15]、重力と弱い力の相互作用、またはフレーバー依存の相互作用^{[16] [17]、} 高次元重力^[18]、新しいボソン^[19]、および準自由粒子[20]などがある。
π⁺
仮説。^[20]

この謎を最初に研究したランドルフ・ポールは、この謎が発見につながれば「素晴らしい」が、最も可能性の高い説明は新しい物理学ではなく、何らかの測定上の誤りであると述べた。彼の個人的な仮説は、過去の測定でリュードベリ定数が誤っており、現在の公式の陽子サイズが不正確であるというものである。^[21]

ベルシュキンら（2007）の論文^[22]では、さまざまな制約と摂動的な 量子色力学を考慮して、当時受け入れられていた0.877フェムトメートルよりも小さい陽子半径が予測されました。^[22]

2016年の論文では、電子散乱データから陽子半径を抽出するために一般的に使用されてきた外挿に問題があると示唆されている^{[23] [24] [25]が、これらの説明には原子}ラムシフト測定にも問題があることが必要である。

新しい物理学を使わずにこの謎を解く試みの 1 つとして、ジェファーソン研究所の Alarcón ら (2018) ^[26]は、実験的散乱データを理論的かつ解析的に正当化された方法でフィッティングする別の手法により、既存の電子散乱データから、ミューオン水素測定と一致する陽子電荷半径が得られることを提案しました。 ^[26]事実上、このアプローチでは、陽子半径パズルの原因は、実験データから陽子電荷半径を抽出するための理論的に動機付けられた関数を使用していないことにあります。最近の別の論文では、以前のフィッティングに単純でありながら理論に基づいて変更を加えることで、より小さな半径が得られることも指摘されています。^[27]

2017年には、極低温水素とドップラーフリーのレーザー励起を使用して分光測定用の光源を準備する新しいアプローチが開発され、統計誤差が大幅に小さくなり、以前に受け入れられていた分光値よりも約5％小さい結果が得られました。^{[8] [28] [9]}この結果は、2010年のミューオン分光法の結果に近いものでした。これらの著者は、古い分光分析には水素線の形状を変える量子干渉効果が含まれていなかったと示唆しています。

2019年に行われたラムシフト分光法の別の実験では、分析にリュードベリ定数を必要としないラムゼー干渉法のバリエーションが使用されました。その結果0.833 fmは、2010年のより小さい値と再び一致しました。^{[29] [9]}

また2019年にはW. Xiongらが極低運動量移動電子散乱を用いた同様の結果を報告した。^[30]

彼らの結果は、陽子の電荷半径が小さいことを裏付けているが、2010年以前の結果がなぜ大きかったのかは説明していない。今後の実験で陽子半径の謎を解明し、解決できる可能性がある。^[31]

2022年2月に発表された実験データの再分析では、約0.84 fmという小さい値と一致する結果が見つかりました。^{[32] [33]}