Το μυστήριο με την ακτίνα του πρωτονίου

Πόσο μεγάλο είναι ένα πρωτόνιο; Η πιο ακριβής η μέτρηση δείχνει όμως ότι είναι μικρότερα από ό,τι νομίζαμε. Αυτό θα μπορούσε να οφείλεται σε ένα λάθος – ή ίσως είναι απλώς ένας υπαινιγμό για μια εντελώς νέα σωματιδιακή φυσική.

proton_atomΑπίστευτη σμίκρυνση των πρωτονίων προκαλεί έκπληξη

Νομίζαμε ότι είχαμε κατανοήσει τα πρωτόνια, τούτα όμως τα θεμέλια των πυρήνων μπορεί να αναστατώσουν τις θεωρίες της σωματιδιακής φυσικής

Στα  1029 χρόνια ζωής ενός πρωτονίου, τα 10 χρόνια είναι απλώς μια απειροελάχιστη στιγμή. Αυτά τα απίστευτα σταθερά σωματίδια, τα θεμέλια του πυρήνα, δεν είναι επιρρεπείς στην παρακμή και την διάσπαση όπως κάποια άλλα υποατομικά σωματίδια τους. Σύμφωνα με τις τρέχουσες εκτιμήσεις μας, ένα πρωτόνιο θα επιβιώσει για περισσότερο από 1029 χρόνια – πάνω από ένα δισεκατομμύριο του δισεκατομμυρίου φορές την ηλικία του σύμπαντος.

Δέκα χρόνια όμως πέρασαν για να αποδείξει ο Randolph Pohl και οι συνεργάτες του ότι το πρωτόνιο δεν είναι ό,τι φαίνεται. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων τους στο Ινστιτούτο Paul Scherrer (PSI) της Ελβετίας, δημοσιεύθηκαν τον Ιούλιο του 2010. Το πρωτόνιο δεν έγινε ξαφνικά λιγότερο σταθερό. Αλλά ήταν αρκετά μικρότερο από αυτό που θεωρητικά έδειξαν τα προηγούμενα πειράματα.

Όπως και τα περισσότερα κβαντικά αντικείμενα, έτσι και ένα πρωτόνιο είναι ασαφές στις άκρες του. Το μέγεθός του καθορίζεται από την έκταση του θετικού φορτίου του και όχι από ένα καθορισμένο φυσικό σύνορο. Αυτή η ακτίνα του φορτίου δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα, αλλά μπορεί να συναχθεί από το άτομο του υδρογόνου, που αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο.

Το ηλεκτρόνιο μπορεί να βρίσκεται σε μια ποικιλία ενεργειακών «φλοιών» ή στάθμες, η κάθε μία με μια διαφορετική κατανομή στο χώρο. Η κατανομή ενός φλοιού σύμφωνα με την κβαντομηχανική απαιτεί κάποιο ηλεκτρόνιο να ‘βουτά’ ακόμα και μέσα στο πρωτόνιο, ενώ ένα ηλεκτρόνιο άλλου φλοιού να βρίσκεται εντελώς έξω από το πρωτόνιο. Οι ενέργειες και των δύο αυτών φλοιών μπορούν να συνδυαστούν για να συμπεράνουμε την ακτίνα των πρωτονίων, χρησιμοποιώντας μια θεωρία που είναι γνωστή ως κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED).

Μιονικά άτομα

Υπάρχει δε ένας τρόπος για να γίνει αυτή η μέτρηση ακόμη πιο ακριβής: να αντικαταστήσουμε το ηλεκτρόνιο με ένα μιόνιο. Αυτό το σωματίδιο είναι αρνητικά φορτισμένο αλλά πολύ μεγαλύτερης μάζας από το ηλεκτρόνιο, έτσι οι ενεργειακοί φλοιοί του επκάθονται περισσότερο μέσα στην ακτίνα των πρωτονίων.

Η δημιουργία ενός τέτοιου «μιονικού ατόμου» υπήρχε στη σκέψη των φυσικών από το 1969, λέει ο Randolf Pohl του Ινστιτούτου Max Planck της Γερμανίας, όταν προτάθηκε για πρώτη φορά ως κριτήριο για την δοκιμή της QED. Αλλά το σημείο εκκίνησης για το πείραμα – το κέλυφος με το δεύτερο χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας – εξακολουθεί να υφίσταται για πολύ λιγότερο από ένα μικροδευτερόλεπτο υπό κανονικάς συνθήκες, που όμως δεν είναι αρκετός χρόνος για τη μέτρηση της ενέργειας, που θέλουμε για να βρούμε την ακτίνα του πρωτονίου.

Ο  Randolf Pohl και οι συνάδελφοί του ανέπτυξαν μια εργαστηριακή μέθοδο που τους επιτρέπει να παρατείνουν αυτή την κατάσταση και έτσι να μετρήσουν την ακτίνα των πρωτονίων με τη βοήθεια των μιονικών ατόμων.

«Αδύνατο» λάθος

Για να το καταφέρουν επιβράδυναν μιόνια σε ένα δοχείο διάχυτο με αέριο υδρογόνο, υπό πίεση ενός χιλιοστού της  ατμοσφαιρικής. Καθώς τα μιόνια ‘κλειδώνονταν’ μαζί με τους πυρήνες του υδρογόνου, ξεκίνησαν από τις υψηλές ενεργειακές στάθμες.

Τα περισσότερα από αυτά τα μιόνια έπεσαν κατευθείαν στην χαμηλότερη στάθμη (φλοιό) ενέργειας, αλλά 1 στα 100 έπεσε στην δεύτερη χαμηλότερη στάθμη. Η ομάδα είχε στη συνέχεια μόνο ένα μικροδευτερόλεπτο καιρό για να χτυπήσει αυτά τα μιόνια, με ένα παλμό λέιζερ συντονισμένοι ακριβώς στη συχνότητα που απαιτούνταν για να ανεβούν στην επόμενη στάθμη και τότε μέτρησαν την ενέργεια του.

Προς έκπληξή τους, όταν οι φυσικοί συνδύασαν αυτή τη μέτρηση με την ενέργεια της κάτω στάθμης, οι υπολογισμοί τους αποκάλυψαν μια ακτίνα των πρωτονίων 0,84184 femtometres, κάτι λιγότερο από το ένα τρισεκατομμυριοστό του χιλιοστού και κατά 4% πιο μικρή από εκείνη που εύρισκαν με το άτομο του υδρογόνου.

Πρόκειται για μια διαφορά μεταξύ των δύο πειραματικών αποτελεσμάτων (μιονίων και ηλεκτρονίων) πολύ μεγαλύτερη από τα αναμενόμενα. «Οι σχετικές θεωρίες μας λένε ότι ένα σφάλμα τέτοιου μεγέθους είναι «αδύνατη», τονίζει ο Pohl.

proton_sizeΗ ηλεκτρομαγνητική δύναμη διαδίδεται από τα φωτόνια επιτρέποντας στο αρνητικό μιόνιο να βρίσκεται σε τροχιά γύρω από το θετικό πρωτόνιο. Τα φωτόνια αυτά (δεξιά) σχηματίζουν ένα  ζεύγος σωματιδίων – πχ ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου – προκαλώντας μια ασάφεια στην έλξη μιονίου-πρωτονίου. Που σημαίνει πως το πρωτόνιο φαίνεται να δρα πιο ελκτικά από ότι είναι στην πράξη.
Αναδύεται μια νέα φυσική;

Ο Mohr υπολογίζει πως το πρόβλημα είναι πιθανό να προέκυψε με ένα λάθος σε μία από τις μετρήσεις. Είτε του ατόμου με το υδρογόνο ή με το μιόνιο στη θέση του ηλεκτρονίου, ή με ένα λάθος στους υπολογισμούς.

Ο Savely Karshenboim, επίσης μέλος της Διεθνούς Επιτροπής CODATA από το Ινστιτούτο Max Planck, στοιχηματίζει για ένα λάθος στην μελέτη του μιονικού ατόμου, διότι «έρχεται σε αντίθεση με ένα άλλο πειστικό αποτέλεσμα».

Ωστόσο, αν αυτά τα σφάλματα αποκλειστούν τότε αυτή η διαφορά θα αφορούσε κάποιο πρόβλημα με την QED, μια θεωρία που στηρίζει ένα μεγάλο μέρος της σωματιδιακής φυσικής. Και τούτη η ανεπάρκεια ανοίγει το δρόμο για μια νέα φυσική σε σχέση με τα άτομα, όπως για παράδειγμα άγνωστα μέχρι στιγμής σωματίδια.

Ο Pohl στέκεται στα πειραματικά του αποτέλεσμα, αλλά προειδοποιεί για τον κίνδυνο του άλματος σε αυτό το προηγούμενο συμπέρασμα. «Η νέα φυσική μπορεί βεβαίως πάντα να χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει οποιαδήποτε διαφορά, αλλά πριν από μια τέτοια αξίωση πρέπει να γίνει μια πολύ σκληρή δουλειά για να αποκλειστούν άλλα πιο πεζές εξηγήσεις, και αυτή είναι μπροστά μας”.

Πηγή: New Scientist

Advertisements