Δύο ανεξάρτητα υπερ-ακριβή πειράματα συμφωνούν επιτέλους σε μια τιμή που είχε σοκάρει τη φυσική κοινότητα το 2010 και ανοίγουν τον δρόμο για νέα σωματίδια.
Οι φυσικοί φαίνεται πως έλυσαν ένα μακροχρόνιο αίνιγμα σχετικά με το μέγεθος του πρωτονίου. Δύο εξαιρετικά ακριβή πειράματα συμφωνούν με μια προηγουμένως σοκαριστική μέτρηση για το πόσο μεγάλο είναι πραγματικά το πρωτόνιο, κάτι που μπορεί να βοηθήσει μελλοντικές αναζητήσεις για νέα σωματίδια.
Επιτέλους, όπως σημειώνουν οι ερευνητές, έχει γίνει δυνατός ο προσδιορισμός του μεγέθους ενός πρωτονίου. Περισσότερα από 15 χρόνια μετά από ένα πείραμα που αιφνιδίασε τον κόσμο της σωματιδιακής φυσικής, η επιστημονική κοινότητα αρχίζει ξανά να αποκτά σταθερό έλεγχο πάνω σε μία από τις πιο βασικές ιδιότητες αυτού του θεμελιώδους σωματιδίου.
Κοιτάζοντας γύρω μας, όλα όσα βλέπουμε είναι γεμάτα πρωτόνια. Το πρωτόνιο αποτελεί ένα θεμελιώδες δομικό στοιχείο του σύμπαντος και μέχρι το 2010 θεωρούσαμε ότι το κατανοούμε αρκετά καλά. Γνωρίζαμε τη δομή του, ότι αποτελείται από τρία κουάρκ, και γνωρίζαμε και το μέγεθός του.
Έπειτα όμως, μια μέτρηση βασισμένη σε ένα εξωτικό άτομο υδρογόνου έδειξε ότι το πρωτόνιο ίσως είναι περίπου 4% μικρότερο από όσο πιστεύαμε. Οι φυσικοί κινητοποιήθηκαν άμεσα, ερευνώντας τόσο πιθανά πειραματικά σφάλματα όσο και θεωρίες για νέα φυσική που θα μπορούσαν να εξηγήσουν αυτό το «πρόβλημα της ακτίνας του πρωτονίου». Το 2019, ένα ακόμη πείραμα ενίσχυσε την ένδειξη ότι το μέγεθος του πρωτονίου είχε για χρόνια υπερεκτιμηθεί.
Σήμερα, το ζήτημα φαίνεται να πλησιάζει σε οριστική επίλυση, χάρη σε δύο συμπληρωματικά πειράματα που ενισχύουν την εικόνα του μικρότερου πρωτονίου όσο ποτέ άλλοτε. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ακτίνα του πρωτονίου είναι περίπου 0,84 femtometres, δηλαδή λιγότερο από ένα εκατομμυριο-δισεκατομμυριοστό του μέτρου.
«Όταν κοιτάς αυτά τα δεδομένα, πόσα χρήματα θα στοιχημάτιζες ότι η ακτίνα του πρωτονίου είναι αυτό που είναι; Για μένα προσωπικά, αυτή τη στιγμή, με αυτές τις μετρήσεις, οι πιθανότητες έχουν αυξηθεί σημαντικά», λέει ο Dylan Yost από το Colorado State University, που συμμετείχε σε ένα από τα πειράματα.
Για να φτάσουν σε αυτό το αποτέλεσμα, και οι δύο ομάδες επικεντρώθηκαν σε άτομα υδρογόνου, καθώς το καθένα αποτελείται από ένα μόνο πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Τα δύο σωματίδια έχουν αντίθετα ηλεκτρικά φορτία και αλληλεπιδρούν μέσω ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων, γεγονός που επηρεάζει τις ενεργειακές καταστάσεις τους μέσα στο άτομο. Αυτή η αλληλεπίδραση, όμως, εξαρτάται από το μέγεθος του πρωτονίου, πράγμα που σημαίνει ότι η ακριβής του ακτίνα μπορεί να προκύψει από τη μελέτη των μεταβάσεων του ηλεκτρονίου μεταξύ ενεργειακών επιπέδων.
Οι ερευνητικές ομάδες χρησιμοποίησαν λέιζερ για να ελέγξουν τα ηλεκτρόνια στα άτομα υδρογόνου και, συνολικά, μέτρησαν τρεις μεταβάσεις μεταξύ ενεργειακών επιπέδων που δεν είχαν καταγραφεί ποτέ ξανά.
Από αυτά τα δεδομένα υπολόγισαν την ακτίνα του πρωτονίου, και τα αποτελέσματά τους όχι μόνο συμφώνησαν μεταξύ τους, αλλά και με τη σημαντική μέτρηση του 2010 που είχε προκαλέσει αναταραχή. «Πλέον είναι πολύ, πολύ απίθανο να υπάρχει ακόμη αυτό το πρόβλημα της ακτίνας του πρωτονίου», λέει ο Lothar Maisenbacher από το University of California, Berkeley, ο οποίος συμμετείχε στο δεύτερο πείραμα στο Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) στη Γερμανία.
Πρόκειται για εξαιρετικά απαιτητικά πειράματα. Τα άτομα υδρογόνου πρέπει να διατηρηθούν σε απόλυτο κενό, ενώ τα λέιζερ που χρησιμοποιούνται είναι ακριβά και απαιτούν εξαιρετικά προσεκτική βαθμονόμηση. Αν και η συλλογή δεδομένων μπορεί να διαρκέσει λίγες εβδομάδες, η ανάλυση όλων των πιθανών πηγών σφαλμάτων μπορεί να πάρει χρόνια. Επιπλέον, κάθε πείραμα έχει εξειδικευμένο τρόπο χειρισμού του υδρογόνου, γεγονός που καθιστά δύσκολο τον εντοπισμό των διαφορών όταν τα αποτελέσματα δεν συμφωνούν.
Όταν όμως τα αποτελέσματα συμπίπτουν, αυτή η ποικιλία μεθόδων λειτουργεί ως πλεονέκτημα, καθώς ένα πιθανό τεχνικό σφάλμα δεν θα εμφανιζόταν σε όλα τα πειράματα ταυτόχρονα, όπως εξηγεί ο Juan Rojo από το Vrije University Amsterdam. «Η ακτίνα του πρωτονίου είναι μια καθολική ιδιότητα· πρέπει να δίνει το ίδιο αποτέλεσμα ανεξάρτητα από τη μέθοδο μέτρησης. Γι’ αυτό αυτά τα δύο άρθρα είναι τόσο σημαντικά, γιατί προσφέρουν διαφορετικές προσεγγίσεις στο ίδιο αποτέλεσμα», σημειώνει.
Η αυξημένη βεβαιότητα για το μέγεθος του πρωτονίου έχει ιδιαίτερη σημασία για την αναζήτηση νέας φυσικής και πιθανών νέων σωματιδίων μέσω της συμπεριφοράς του ηλεκτρονίου στο υδρογόνο. Μάλιστα, το πείραμα στο MPQ ήταν ήδη αρκετά ακριβές ώστε να ελέγξει τις προβλέψεις της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής με ακρίβεια 0,5 parts per million, χωρίς να εντοπίσει αποκλίσεις ή ενδείξεις νέων δυνάμεων ή σωματιδίων.
Όπως σημειώνει ο Rojo, αυτά τα πειράματα ανοίγουν τον δρόμο ώστε τέτοιου τύπου μετρήσεις να γίνουν σημαντικό εργαλείο στη φυσική των σωματιδίων. Αντί για τεράστιους επιταχυντές, τέτοιες εργαστηριακές διατάξεις με υδρογόνο και λέιζερ μπορούν να αναζητήσουν πολύ ελαφριά σωματίδια που αλλιώς θα παρέμεναν αόρατα.
«Τώρα που έχουμε εμπιστοσύνη ότι καταλαβαίνουμε πραγματικά τι συμβαίνει, μπορούμε να δούμε τι περιορισμούς μπορούμε να θέσουμε για τη νέα φυσική», λέει ο Yost.
Με πληροφορίες από New Scientist / Nature / Physical Review Letters
