Το πρωτόνιο συρρικνώθηκε, Shrunken Proton Baffles Scientists

The proton's three quarks are (mostly) confined within a region 0.87 femtometers wide — or is it 0.84? Image: Flickr/Argonne National Laboratory

Η ακτίνα φορτίου του πρωτονίου υπολογίστηκε μικρότερη σε νέες μετρήσεις φέρνοντας πονοκέφαλο στους επιστήμονες

Το μήκος της ακτίνας του πρωτονίου – ή, πιο συγκεκριμένα, της ακτίνας του φορτίου του – έχει αναδειχθεί τα τελευταία χρόνια σε έναν από τους μεγάλους πονοκεφάλους των φυσικών. Μετρήσεις που είχαν γίνει το 2010 και επαναλήφθηκαν πρόσφατα με μια ακριβέστερη μέθοδο βρίσκουν το σωματίδιο σημαντικά μικρότερο από ό,τι εθεωρείτο ως τώρα.

Η ανακάλυψη φέρνει τα πάνω κάτω στις υπάρχουσες θεωρίες καθώς επιδέχεται διάφορες ερμηνείες – από την πιο «βολική», που αφορά μια όπως φαίνεται όχι και τόσο σπάνια αλληλεπίδραση των υποατομικών σωματιδίων, ως την πιο «ριζοσπαστική», που απαιτεί αναθεώρηση του Kαθιερωμένου Μοντέλου.

«Άπιαστο» μέτρο

Measurements with lasers have revealed that the proton may be a touch smaller than predicted by current theories. PSI / F. Reiser

Αντίθετα με το ηλεκτρόνιο, το οποίο είναι ένα μεμονωμένο σημείο, το πρωτόνιο, το οποίο αποτελείται από τρία γλουόνια, έχει ένα πεπερασμένο μέγεθος – το ηλεκτρικό και το μαγνητικό φορτίο του κατανέμονται σε έναν συγκεκριμένο όγκο και άρα το καθένα από αυτά έχει μια ακτίνα με συγκεκριμένο μήκος. Το μήκος των ακτίνων αυτών, το οποίο προσδιορίζει και το μέγεθος του πρωτονίου, είναι ωστόσο αδύνατον να μετρηθεί άμεσα. Μπορεί να υπολογιστεί μόνο με έμμεσο τρόπο.

Οι «παραδοσιακές» μέθοδοι εξήγαν το μήκος της ακτίνας του ηλεκτρικού φορτίου του πρωτονίου μελετώντας τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και πρωτονίων. Συγκεκριμένα μετρούσαν τις αποστάσεις της τροχιάς του πρώτου από το δεύτερο – οι οποίες υποδηλώνουν μεταπτώσεις σε διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα – συνήθως στο απλούστερο άτομο, αυτό του υδρογόνου.

Οι μετρήσεις του είδους είχαν υπολογίσει την ακτίνα του ηλεκτρικού φορτίου του πρωτονίου περίπου στα 0,877 φεμτόμετρα (λιγότερο από ένα τρισεκατομμυριοστό του χιλιοστού).

Βόμβα φεμτομέτρων

Η ακτίνα φορτίου του πρωτονίου υπολογίστηκε μικρότερη σε νέες μετρήσεις φέρνοντας πονοκέφαλο στους επιστήμονες.

Το 2010 μια διεθνής ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Ράντολφ Πολ του Ινστιτούτου Κβαντικής Φυσικής Μαξ Πλανκ στο Γκάρχινγκ της Γερμανίας χρησιμοποίησε μια καινούργια τεχνική. Οι ερευνητές δημιούργησαν στον επιταχυντή «εξωτικά» άτομα υδρογόνου όπου τα ηλεκτρόνια είχαν αντικατασταθεί από μιόνια. Τα μιόνια έχουν ίδιο φορτίο με τα ηλεκτρόνια αλλά μεγαλύτερο μέγεθος από αυτά, επιτρέποντας κατά 200 φορές ακριβέστερες μετρήσεις.

Η νέα μέθοδος «κατέβασε» το μήκος της ακτίνας του πρωτονίου στα 0,8418 φεμτόμετρα. Η διαφορά, της τάξης του 4%, στον μικρόκοσμο της Σωματιδιακής Φυσικής είναι κάτι παραπάνω από υπολογίσιμη και η δημοσίευση της μελέτης στην επιθεώρηση «Nature» είχε προκαλέσει τότε πραγματικό σκάνδαλο. Κάποιοι είχαν αμφισβητήσει τη μέθοδο του κ. Πολ ενώ άλλοι μιλούσαν για επανάσταση που αμφισβητεί το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Τώρα ο κ. Πολ και οι συνεργάτες του επανέλαβαν τις μετρήσεις τους, πάλι σε μιονικά άτομα υδρογόνου, αλλά με μια άλλη προσέγγιση η οποία επιτρέπει ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια – κατά 1,7 φορές – από εκείνη του 2010. Οι νέοι υπολογισμοί, οι οποίοι δημοσιεύθηκαν στην επιθεώρηση «Science», έδωσαν μια τιμή πολύ κοντά στην προηγούμενη – περίπου 0,8408 φεμτόμετρα.

Οι πιθανές ερμηνείες

Aldo Antognini and Franz Kottmann in PSI's large experimental hall. (Credit: Image courtesy of Paul Scherrer Institut)

Η δημοσίευση επανέφερε στο προσκήνιο τη διαμάχη που είχε ξεκινήσει πριν από τρία χρόνια. Μιλώντας στο περιοδικό «New Scientist», ο κ. Πολ δήλωσε ότι τα αποτελέσματά του μπορεί να έχουν τρεις πιθανές ερμηνείες. Η πρώτη είναι το πείραμά του να έχει πραγματικά κάποια λάθη, κάτι το οποίο δεν είναι και τόσο πιθανό. Η δεύτερη είναι το πείραμα να έχει πέσει εντελώς έξω, κάτι το οποίο, όπως τόνισε, «θα ήταν υπερβολικά πληκτικό».

Η τρίτη και πιο συναρπαστική εξήγηση σύμφωνα πάντα με τον επιστήμονα, είναι ότι ενδεχομένως τα μιόνια αλληλεπιδρούν με τα πρωτόνια με διαφορετικό τρόπο από ό,τι τα ηλεκτρόνια – κάτι το οποίο προϋποθέτει την «παρεμβολή» σωματιδίων τα οποία είναι αυτή τη στιγμή άγνωστα αλλά ενδεχομένως θα μπορούσαν να λύσουν πολλά μυστήρια, όπως αυτό της σκοτεινής ύλης.

Ο Τζέραρντ Μίλερ του Πανεπιστημίου της Γουόσινγκτον στο Σιάτλ, ο οποίος δεν μετείχε στο πείραμα, προτείνει ωστόσο στο ίδιο περιοδικό μια πιο «πεζή» εκδοχή, η οποία μπορεί να εξηγήσει παλιές και νέες μετρήσεις χωρίς να χρειάζεται άγνωστα σωματίδια. Όπως επισημαίνει, σύμφωνα με την κβαντική ηλεκτροδυναμική δυο φορτισμένα σωματίδια μπορούν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ανταλλάσσοντας ένα φωτόνιο – «σαν να πετάνε το ένα στο άλλο μια μπάλα του μπάσκετ». Η θεωρία όμως προβλέπει και ένα άλλο είδος αλληλεπίδρασης, όπου τα σωματίδια ανταλλάσσουν δυο φωτόνια – «σαν ζογκλέρ». Ως τώρα κάτι τέτοιο εθεωρείτο εξαιρετικά σπάνιο, ίσως όμως τελικά και να μην είναι τόσο.

Η απάντηση αναμένεται να δοθεί μέσα στα επόμενα χρόνια, με νέα και πιο εξελιγμένα πειράματα που εκτιμάται ότι θα ρίξουν περισσότερο φως στο ζήτημα.