Protonas traukiasi: dalelė mažesnė nei manyta

Kiek protonų gali sutilpti ant smeigtuko galvutės? Atsakymas toli gražu nėra toks paprastas, kaip galima pamanyti. Be to, tai gali pateikti naujų įžvalgų apie vieną geriausiai patikrintų fizikos teorijų.

Tarptautinė mokslininkų komanda neseniai bandė nustatyti tikrąjį protono dydį. Protonai, kartu su neutronais ir elektronais, sudaro atomus, o šie – mūsų kūnus ir visą aplinkinį pasaulį.

Mokslininkai nustatė, kad dalelės spindulys yra 0,84087 femtometrų. Femtometras yra milijardinė milijardinės metro dalies dalis. Jis  toks mažas, kad gama radiacijos bangos ilgis yra 100 kartų didesnis. Naujojo matavimo rezultatas – maždaug 4 proc. mažesnis nei dabar naudojamas 0,8768 femtometrų spindulys. O šis mažas skirtumas kelia galvosūkį.

Jei mažesnis dydis iš tiesų teisingas, tuomet fizikų žinios apie kvantinę elektrodinamiką, nusakančią, kaip sąveikauja medžiaga ir šviesa, nėra visiškai tikslios, rašo LiveScience.com.

Vienas tyrimo autorių, Šveicarijos federacinio technologijų instituto fizikas Aldo Antognini teigė, kad skirtumas gali reikšti vieną iš trijų dalykų.

Pirma, ankstesniuose tyrimuose pasitaikė klaidų, tačiau tai mažai tikėtina, turint omenyje, kiek kartų įvairūs eksperimentai kartoti.

Antra galimybė – trūksta dalies protono dydžio skaičiavimų. „Galbūt mes iki galo nesuprantame protono struktūros“, –  teigia A. Antognini.

Trečiasis paaiškinimas – dabartinės kvantinės elektrodinamikos teorija yra neteisinga, tačiau ir tokia galimybė yra mažai tikėtina, nes teorija veikia labai gerai, be to, ji buvo patikrinta daugybę kartų.

Tai ne pirmas kartas, kai toks neatitikimas išlindo. 2010 metais A. Antognini, dirbdamas tarptautinėje komandoje, kuriai vadovavo Randolfas Pohlis iš Maxo Plancko kvantinės optikos instituto, nustatė, kad protono spindulys siekia 0,84185 femtometrų.

Norėdami nustatyti protono dydį, mokslininkai turi naudoti tris metodus. Vienas jų – elektronų išsklaidymas: neigiamą krūvį turinčiais elektronais apšaudyti teigiamą krūvį turinčius vandenilio branduolius (protonus) ir išmatuoti, kaip jie nukrypsta. Išsisklaidymo modelis gali leisti suprasti, kokio dydžio yra teigiamo krūvio sritis.

Antrasis metodas – matuoti, kiek reikia energijos, kad elektronas perskeltų į kitus orbitinius regionus aplink branduolį. Elektronai paprastai būna srityse, kurios nuo branduolio nutolusios tam tikru atstumu. Padidinus jų energiją, jie sužadinami ir juda į kitą regioną, vadinamą orbitale. Tuomet elektronai vėl grįžta į nesužadintą būseną ir išskiria fotoną. Atidžiai ištyrus, kiek reikia energijos, kad elektronas iš vienos orbitos persikeltų į kitą, ir koks bangos ilgis fotono, išskirto tuomet, kai elektronas grįžta į mažesnės energijos orbitalę, galima įvertinti protono dydį.

Trečiasis metodas, naudotas naujausiuose eksperimentuose, naudoja miuoninį vandenilį. Tai protonas, aplink kurį skrieja miuonas, o ne elektronas. Kaip ir elektronai, miuonai turi neigiamą krūvį, tačiau jie 207 kartus sunkesni. Tai reiškia, kad jie skrieja arčiau protono, be to, reikia daugiau energijos, norint juos perkelti į kitas orbitales. Didesni energijos skirtumai palengvina jų matavimus. Į miuoninį vandenilį pašvietus lazeriu, miuonas sužadinamas ir persikelia į kitą orbitalę. Tuomet miuonas sugrįžta į žemesnės energijos būseną, išskirdamas rentgeno spindulių fotoną.

Du pirmieji metodai, naudoti ne vieną dešimtmetį, pateikė didesnį protono spindulio išmatavimą. Trečiasis metodas, kurio paklaida, anot mokslininkų, mažesnė, pateikė mažesnius skaičius. Tačiau šie skaičiavimai yra gana sudėtingi.

A. Antognini komanda, eksperimentus atliekanti Paulio Scherrerio institute Šveicarijoje, atliko ne tik miuoninio vandenilio eksperimentą antrąjį kartą, bet ir ėmėsi veiksmų, kad užtikrintų tikslesnį matavimą. Tačiau neatitikimas nedingo. „Galbūt tai susiję su protono struktūra, o tai atskleidžia tik miuonai“, – teigė A. Antognini.

Štai kodėl naujasis dydis tapo mįsle. Kvantinė elektrodinamika tikriausiai neklysta, mažai tikėtina, kad ankstesni eksperimentai taip buvo tokie neteisingi dėl paprastų paklaidų, teigia ekspertai.

„Skaičiavimuose gali trūkti kokių nors sąlygų. Kvantinės elektrodinamikos teorija patikrinta iki neįtikėtino lygmens, tačiau matematinis pagiringas nėra toks saugus, kaip būtų galima norėti“, – teigė tyrime nedalyvavus Helen Margolis iš Nacionalinės fizikos laboratorijos Jungtinėje Karalystėje.

Fizikos ir astronomijos profesorius Chadas Orzelis iš Sąjungos koledžo teigė, kad šie rezultatai fizikai gali išeiti į naudą, nes gali kilti daugiau klausimų. „Tikrai nuobodu, kai visi matavimai ir teorijos viena kitai neprieštarauja. Toks neatitikimas leidžia pakalbėti apie ką nors, kas nesusiję su Higgso bozonu“, – sakė jis.