Problem z protonem. Czy uznana teoria kwantowa jest błędna?

Jak duży jest proton? Fizykom udało się ostatnio zmierzyć jego promień nową metodą, jednak wynik znacznie odstaje od dotychczasowych ustaleń. Jeśli uczeni nie popełnili błędu, to najlepszą obecną teorię elektromagnetyzmu czekają spore kłopoty...

Jak duży jest proton? Fizykom udało się ostatnio zmierzyć jego promień nową metodą, jednak wynik znacznie odstaje od dotychczasowych ustaleń. Jeśli uczeni nie popełnili błędu, to najlepszą obecną teorię elektromagnetyzmu czekają spore kłopoty...

Jak wszystkie obiekty kwantowe, proton nie ma ściśle określonych granic. Trzy kwarki, z jakich się składa, związane są ze sobą tak silnie, że z energii ich wiązania bezustannie, na mocy słynnego wzoru Einsteina E=mc^2, kreowane są cząstki wirtualne, które po chwili odchodzą w niebyt w wyniku anihilacji. Proton jest więc raczej kipiącą, rozmytą chmurą energii i ładunku elektrycznego niż znaną z książkowych ilustracji gładką, naładowaną kulką.

Mimo jej rozmycia, można spytać o promień takiej protonowej chmurki. W jaki sposób go zmierzyć? Otóż rozmiar protonu bezpośrednio wpływa na sposób, w jaki okrążać go będzie elektron (jak w atomie wodoru), a konkretniej - jakie energie będzie mógł przyjmować. Te tzw. poziomy energetyczne można powiązać z promieniem protonu za pomocą najdokładniejszej znanej teorii oddziaływań elektromagnetycznych - elektrodynamiki kwantowej (QED), którą jeden z jej twórców, osławiony Richard Feynman nazwał "klejnotem fizyki".

Antyprotony na ultra-chłodno

Poziomy energetyczne elektronu w atomie wodoru można również zmierzyć bezpośrednio i skorzystać z QED w drugą stronę, tj. wyznaczyć na ich podstawie promień protonu. Gdy tak zrobiono, otrzymano wynik ok. 0,86 femtometra (jednej biliardowej metra).

Teraz zespół fizyków kierowanych przez Randolfa Pohla z Instytutu Optyki Kwantowej Maksa Plancka w Niemczech wyostrzył opisaną powyżej metodę. Już od 1969 r. wiedziano, że gdy elektron zastąpić jego cięższym kuzynem zwanym mionem, dokładność pomiaru rozmiarów protonu znacząco wzrośnie. Problem polegał wszakże na tym, że mion jest cząstką nietrwałą - aż dotąd wydawało się, że zwyczajnie nie zdąży się go wprowadzić na orbitę wokół protonu i określić jego energię nim się rozpadnie.

Polscy naukowcy pionierami kwantowej optyki atomowej

"Aż dotąd", bowiem ekipie uczonych pod kierownictwem Pohla ostatnio się to udało. Doświadczenie, opisane na łamach prestiżowego "Nature", przyniosło jednak nieoczekiwany wynik. Posłużenie się QED (opisującej tak elektrony, jak i miony) pozwoliło określić promień protonu jako o całe 4% niższy niż ten uzyskany w poprzednich doświadczeniach. Niby niewiele, ale jeśli zostanie potwierdzone, stanowić będzie poważną rysę na do dziś nieskalanej powierzchni "klejnotu fizyki".

Jak mówi Peter Mohr z międzynarodowej komisji zajmującej się obliczaniem podstawowych stałych fizycznych CODATA:

Wynik tego nowego eksperymentu stanowi zagadkę, na którą nie widać w tym momencie prostej odpowiedzi.

Peter Mohr

Jedna z możliwości jest taka, że niemieccy badacze gdzieś się pomylili. Inna, że błąd tkwił w metodzie wykorzystującej elektrony. Trzecia opcja - że to QED jest błędna - paradoksalnie może być najszczęśliwsza dla fizyki. W końcu to właśnie na niedoskonałościach obowiązujących teorii formułowano nowe, oferujące głębsze zrozumienie Wszechświata.