Proton się kurczy

Mimo, że fizyka kwantowa to wciąż wiele niewiadomych, uważa się, że najważniejsze rzeczy już wiemy i że nie ulegną one już zmianom. Tymczasem nie jest tak dobrze. Najnowsze eksperymenty pokazują, że jedna z podstawowych cząstek elementarnych - proton, jest mniejsza, niż dotąd uważano. Wprawdzie zaledwie o 4%, czyli 0,00000000000003 milimetra, ale burzy to naszą dotychczasową wiedzę o budowie atomu.

Ze szkoły każdy pamięta, że atom składa się z protonów (i ewentualnie neutronów), tworzących jądro oraz krążących wokół niego elektronów, protony mają dodatni ładunek elektryczny, elektrony ujemny, neutrony go nie posiadają. Protony i neutrony składają się z bardziej elementarnych cząstek zwanych kwarkami. Średnicę protonu mierzy się wykorzystując oddziaływanie między nim a orbitującym elektronem - orbita zależy od energii elektronu i rozmiaru protonu. Wszystkie eksperymenty dawały w wyniku zawsze rozmiar protonu 0,8768 femtometra. Do czasu.

Randolf Pohl, naukowiec z Instytutu Optyki Kwantowej Maksa Plancka (Max-Planck-Institut für Quantenoptik) w niemieckim Garching po zastosowaniu innej metody uzyskał odmienne wyniki. Zamiast oddziaływania protonu z elektronem wykorzystał do pomiaru inną cząstkę, 207 razy cięższą od elektronu - mion. Większy rozmiar mionu sprawia, że jest on bardziej wrażliwy na oddziaływanie protonu. Aby zmierzyć oddziaływanie tych dwóch cząstek bombarduje się atomy wodoru strumieniem mionów. W pewnej części przypadków mion wybija elektron z jego powłoki i zastępuje go na tym miejscu. Przy pomocy laserów dokonano precyzyjnych pomiarów energii orbitującego mionu i obliczono rozmiar protonu. Wynik okazał się tak zaskakujący, że wstrząsnął fundamentami fizyki.

Wynik mniejszy o 4% to może się wydawać niewiele, ale wskazuje, że coś jest z naszą teorią nie tak. Jest tak sprzeczny z dotychczasową wiedzą, że mimo iż już dwukrotnie - w roku 2003 i 2007 otrzymano taką wartość, zignorowano ją, sądząc że to błąd pomiaru spowodowany złą kalibracją laserów.

Dziś już jednak nikt z badaczy nie sądzi, że wynik jest błędny. Z drugiej strony nie sposób też uznać za błędne poprzednich wyników, uzyskiwanych poprzez pomiar energii elektronu. Randolf Pohl uważa, że odnaleźliśmy poważną lukę w teorii i po prostu brakuje w niej jakiegoś fragmentu cząsteczkowej „układanki". Jednym z przypuszczeń jest jakaś cząsteczka związana z mionem, która zaburza oddziaływanie między mionem a protonem. Istnienie takich „partnerów" przewiduje teoria supersymetrii. Jedno jest pewne: naukowcy otrzymali kolejną łamigłówkę do rozwiązania, które to rozwiązanie bez wątpienia będzie fascynujące.

proton elektron mion rozmiar protonu supersymetria Randolf Pohl Max-Planck-Institut für Quantenoptik