The Proton Radius Problem


By Jan C. Bernauer /Randolf Pohl J. C. ベルナウアー /R. ポール
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You would be forgiven for Assuming that we understand the proton. It is, after all, the main constituent of matter in the observable universe, the fuel of stellar furnaces. Studies of the proton—its positive charge suitably bound up with a negatively charged electron to make a hydrogen atom—initiated the quantum-mechanical revolution a century ago. Today researchers trigger torrents of ultrahigh-energy proton collisions to conjure particle exotica such as the Higgs boson.  陽子のことなんてすべてわかっているとあなたが思っていても無理はない。何といっても,陽子は私たちが観測できる宇宙に存在する物質の主要構成要素であり,星内部の核融合炉の燃料だ。陽子は正の電荷を持っており,負の電荷を持つ電子と結びついて水素原子を作る。その陽子にまつわる研究は1世紀前の量子力学革命の契機となった。今日では,超高エネルギーの陽子どうしを衝突させる実験によって,ヒッグス粒子を発見するなどしている。
Yet recent studies of the proton have surprised us. The two of us (Bernauer and Pohl), along with our colleagues, have made the most precise measurements of the radius of the proton to date, using two complementary experiments. When we began the exercise, we suspected that our results would help add levels of precision to the known size of the proton. We were wrong. Our measurements of the proton’s radius differ by a huge gulf. The difference is more than five times the uncertainty in either measurement, implying that the probability that this is all due to chance is less than one in a million.  だが,そんな陽子そのものに関する最近の研究結果は驚くべきものだった。私たち2人(ベルナウアーとポール)は,それぞれの同僚とともに異なる実験を行い,陽子の半径をこれまでで最も精密に測定した。実験を始めた時,私たちの実験はそれまでに知られていた陽子の半径の精度をさらに高めるくらいのものだろうと思っていた。しかし,その考えは間違っていた。私たちの2つの測定結果には大きな隔たりがあった。その差は,それぞれの実験における不確かさの5倍以上もあった。この差が偶然生じる確率は100万分の1以下だ。
Clearly, something is amiss. Either we don’t fully understand the proton, or we don’t understand the physics that goes into the precision measurements of the proton. We have reached out into the universe and pulled back an anomaly. And so we have a great chance to learn something new.  明らかに何かが間違っている。私たちが陽子を完全には理解していないか,陽子の精密測定に関わる物理を理解していないかのいずれかだ。私たちがなにげなく宇宙に手を伸ばしてつかんだのは,普通ではないものだった。これは,何か新たな事実を理解する大きなチャンスだ。
The Missing Shift
Our story begins on the Italian island of San Servolo, 10 minutes by fast boat from the Piazza San Marco in Venice. The island hosted a hospital for the mentally ill until the late 1970s. Three decades after it closed, a few dozen physicists began to meet on the island to discuss ever more stringent tests of the best-understood theory in all of physics, if not all of science: quantum electrodynamics, or QED.
QED traces its history back to 1928, when P.A.M. Dirac combined quantum mechanics and special relativity into what is now known as the Dirac equation. It is our best theory of electricity and magnetism because it fully describes how light interacts with matter. To take just one example, QED explains the structure of atoms using nothing more than the laws of physics and the values of fundamental constants such as the mass of the electron. Because of this, physicists use simple atoms such as hydrogen to test QED. They can predict the outcomes of experiments with an uncertainty of 0.0000000001 percent. Experiments match this precision.  QEDの歴史はディラック(P. A. M. Dirac)が量子力学と特殊相対性理論を融合し,ディラック方程式として知られる式を導き出した1928年に遡る。QEDは光と物質の相互作用を完全に記述し,電気と磁気に関する理論としては,私たちが知るベストなものだ。例えばQEDは原子の構造を電子の質量などの基本定数と物理法則のみによって完全に説明できる。そのため,QEDは水素のような単純な原子を通じて検証されてきた。物理学者は0.0000000001%の誤差で実験結果を予言でき,現代の実験はそれに匹敵する精度を持っている。