Новая технология позволила с высокой точностью измерить радиус протона методом рассеяния электронов. Эксперимент проведен в лаборатории Томаса Джефферсона Министерства энергетики США. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Протон — стабильная элементарная частица, входящая в состав ядер атомов всех химических элементов. До 2010 года измерения радиуса протона проводились двумя различными экспериментальными методами: рассеяния электронов и атомной спектроскопии. В экспериментах по рассеянию электронов радиус заряда протона определяется по изменению пути электронов после того, как они отразились или рассеялись от протона. В измерениях методом атомной спектроскопии фиксируются переходы между энергетическими уровнями электронов, вращающихся вокруг ядра, представленного водородом или дейтерием. Оба эти метода давали значение радиуса протона около 0,88 фемтометра.
В 2010 году физики опробовали новый вариант метода атомной спектроскопии, заменив электроны на мюоны, которые вращаются намного ближе к протону и более чувствительны к радиусу заряда последнего. Этот результат дал значение, которое было на 4 процента меньше — примерно 0,84 фемтометра.
Тогда стали писать о том, что, возможно, мюоны взаимодействуют с протонами не так как электроны, и это открывает окно в “новую физику”, а сам факт несходимости результатов измерений назвали головоломкой протонного радиуса.
В 2012 году группа ученых под руководством Ашота Гаспаряна (Ashot Gasparian) из Сельскохозяйственного и технического университет штата Северная Каролина собралась в лабораторииТомаса Джефферсона Министерства энергетики США, чтобы доработать метод рассеяния электронов и произвести новое и более точное измерение радиуса заряда протона.
Для проведения эксперимента, получившего название PRad, была проведена модернизация ускорительного комплекса CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility — ускоритель непрерывных электронных пучков) национального ускорителя Томаса Джефферсона.
Для повышения точности нового измерения ученые применили три новых технологических приема. Во-первых, был разработан новый тип мишени. Охлажденный газообразный водород направлялся прямо в поток ускоренных электронов с энергией 1,1 и 2,2 ГэВ, что позволило рассеянным электронам двигаться почти беспрепятственно в детекторы.
Следующим важным нововведением было использование для обнаружения рассеянных электронов, возникающих в результате попадания электронов на протоны или электроны водорода, калориметра, а не традиционного магнитного спектрометра. Гибридный калориметр HyCal измерял энергию и положение рассеянных электронов, в то время как газовый электронный детектор GEM, специально построенный для этого эксперимента, также обнаруживал позиции электронов, но с еще более высокой точностью.
Данные обоих детекторов сравнивались в реальном времени, что позволило ученым классифицировать каждое событие как электрон-электронное или электрон-протонное рассеяние, что значительно уменьшило экспериментальные неопределенности и повысило точность.
Последним значительным улучшением стало размещение этих детекторов на очень близком угловом расстоянии — менее одного градуса — от того места, где электронный луч ударил по водородной мишени.
Измеренный по новой методике радиус протона составляет 0,831 фемтометра. Это самое точное значение на сегодняшний день. Оно меньше, чем предыдущее значение, полученное методом рассеяния электронов, равное 0,88 фемтометра, и согласуется с результатами мюонной атомной спектроскопии.
“Мы рады, что годы напряженной работы нашего сотрудничества заканчиваются хорошим результатом, который поможет в решении так называемой головоломки протонного радиуса”, — приводятся в пресс-релизе Министерства энергетики США слова Ашота Гаспаряна.
Кроме того, этот результат должен положить конец рассуждениям о новой силе природы, действующей по-разному на электроны и мюоны.
Ученые изучили, как запахи проникают в мозг человека
Ученые обнаружили, что люди, у которых отсутствуют обонятельные луковицы, тоже могут чувствовать запахи. Возможно, в их мозге формируются альтернативные центры обоняния. Результаты исследования опубликованы в журнале Neuron.
Способность воспринимать запахи зависит от того, насколько хорошо работает система передачи обонятельной информации — от сенсорных нейронов в носу через обонятельные нервы к обонятельным луковицам в мозге. Активация небольших нервных структур внутри обонятельных луковиц, называемых клубочками, вызывает ощущение запаха.
До последнего времени считалось, что люди, у которых в силу врожденной патологии отсутствуют обонятельные луковицы, страдают аносмией — не могут чувствовать запахи.
Ученые под руководством Ноама Собела (Noam Sobel) из институт Вейцмана в Израиле обнаружили, что люди, лишенные обонятельных луковиц, тем не менее, могут обнаруживать и идентифицировать те же запахи, что и остальные.
Исследователи впервые наткнулись на двух женщин, которые могли чувствовать запах, несмотря на отсутствие обонятельных луковиц, во время обзора результатов МРТ у добровольцев, проходивших тест на восприятие запахов.
После этого ученые провели анализ 1113 МРТ, опубликованных в рамках проекта “Коннектом человека” по созданию “сетевой карты” анатомических и функциональных связей в здоровом человеческом мозге, реализуемого Национальным институтом здоровья США с 2009 года. И обнаружили еще трех молодых женщин, у которых не было четких обонятельных луковиц, но они могли чувствовать запах. Ни одного мужчины, лишенного обонятельных луковиц выявлено не было.
Детальное обследование мозга этих женщин, включавшее обычную и диффузную МРТ, трехмерную визуализацию сверхвысокой четкости и воксельную морфометрию, не выявило никаких отличий от мозга обычных людей, помимо отсутствия обонятельных луковиц.
Три женщины согласились пройти тестирование на ощущение запахов в составе группы, в которую вместе с ними входили 140 женщин того же возраста с нормально развитой системой обоняния. Участникам предлагали понюхать десять различных ароматов и затем охарактеризовать их запах, используя на выбор одиннадцать описательных слов.
Одна из трех испытуемых не смогла описать запахи, а две другие описали их практически в тех же терминах, что и участники из контрольной группы — пересечение составило 96 процентов. Причем описания этих двух женщин между собой совпали полностью.
Ученые считают, что в случае, когда обонятельные луковицы по тем или иным причинам недоразвиты или отсутствуют, мозг включает адаптационные механизмы по созданию альтернативных центров обоняния.
“Эти женщины родились без обонятельных луковиц, но, благодаря чрезвычайной пластичности мозга, клубочки, отвечающие за восприятие запахов, развились где-то еще в их мозге, — приводятся в пресс-релизе издательства Cell Press слова первого автора исследования Ноама Собела. — Развивающийся человеческий мозг обладает значительным потенциалом изменений при минимальном функциональном воздействии, и это может быть одним из его проявлений”.
В будущем ученые планируют продолжить свои исследования и надеются найти способ научить различать запахи людей с врожденной аносмией.