Kisebb protonok – új fizikai törvények?

Minden atom a magból és a körülötte keringő elektronokból áll. Az atommag pedig neutronokból és protonokból tevődik össze, ezen részecskék alkotóelemei pedig a kvarkok.

A fizikusok évekig úgy számoltak, hogy a proton átmérője 0, 8768 femtométer – ez a mérőszám a méter 10^-24 része. A proton mérete alapvető érték a kvantum-elektrodinamika hatvanéves képletében és mérföldkő a részecskefizika Standard Modelljében. A Standard Modell írja le, hogyan hatnak a gravitáción kívüli erők a szubatomi részecskékre.

Azonban a proton általános mérete egy százalékkal kisebb vagy nagyobb értéket is felvehet az eredeti méreténél. Ez nem elég pontos szám a kvantumdinamikában (QED) ahhoz, hogy az elmélet a gyakorlatban is jól működjön. Ezért a fizikusok évek óta keresik a méretpontosítás mikéntjét.

Lézerrel a precíz méretért
Randolf Pohl, a németországi Max-Planck Kvantum Optika Intézet képviselőjének vezetésével az emúlt tíz év kutatásai során a fizikusok a hidrogénatomot hívták segítségül a proton pontos méretének meghatározásához. Egy különleges részecskegyorsítót vetettek be a hidrogénatomok átalakítására, amelyeket egy proton körül keringő egyetlen elektron alkot. Az így átalakított hidrogénatomokban a kutatók az elektront egy müon nevű részecskével helyettesítették. A müon kétszászszor nehezebb elem, mint maga az elektron.

„Nagyobb súlya miatt a müon nagyon közel kering a protonhoz, és mint ilyen, rendkívül érzékeny a proton méretére” – fejtette ki Aldo Antognini, a svájci Paul-Scherrer Intézet kutatója.

A müon nagyon instabil elem, 2, 2 mikromásodperc alatt más elemmé alakul át. A kutatócsoport tudta, hogyha az atomot a müon átalakuását megelőzően lézerrel kezelik, felgyorsul, és magasabb energiaszinten mozog majd, egyre gyorsabban kering a proton körül. Ezt követően a müon az extra energiát röntgensugárra alakítja, majd alacsonyabb energiaszinten rezeg tovább.

Ezek között az energiaszintek között lévő távolságot a proton mérete határozza meg, amely valójában a röntgensugarak frekvenciáját is definiálja. Azonban a korábban meghatározott protonsugár méretét alapul véve, a kísérlet során nem sikerült a várakozásoknak megfelelő frekvenciájú röntgensugarakat előállítani.

2009 nyarán a kutatócsoport ezért elhatározta, hogy vizsgálatait kiterjeszti a proton méretének pontosítására. Legnagyobb meglepetésükre röntgensugarakat fedeztek fel 0, 8418 femtométerre – 4%-kal közelebb, mint gondolták – egy proton sugarától.

„Teljesen meglepődve állunk a felfedezés előtt, melyre jelenleg nem találunk magyarázatot” – mondta Antognini.

Kisebb proton – igazi pezsgés
A proton méretével kapcsolatos felfedezés az emberek mindennapi életét nem érinti. De ha bebizonyosodik az új méret pontossága, az azt jelentheti, hogy a részecskefizika alapszámításaiban jelentős tévedések vannak.

A kisebb protonméret miatt elképzelhető, hogy az ún. Rydberg-állandót is rosszul számolták. Ez a szám kulcsfontosságú mutatószám a színképelemzés tárgyában. A színképelemzést például arra használják, hogy megmondják, milyen elemek léteznek a galaxisokban és miből állnak a nebuláknak (ködfoltnak) nevezett hatalmas, csillagközi gáz- és füstfelhők.

De még ha a Rydberg-állandó helyes is, a kisebb méretű proton jelentheti a kvantumdinamikai egyenlet hibás működését.

„Igen jelentős felfedezés előtt állunk, ami jelentheti akár a kvantumdinamika teljes újragondolását, az új elméletek előtti potenciális kapunyitást” – jelentette ki Jeff Flowers, az angliai Nemzeti Fizikai Laboratórium munkatársa.

Az elkövetkező hetekben a világ minden táján fizikusok vizsgálják majd mindenre kiterjedően az új kutatási eredményeket, és komplex számításokat végeznek, hogy megbizonyosodhassanak annak hibátlanságáról. Ha nem találnak benne hibát, a tudósok újra elkezdhetik felépíteni a Standard Modellt.

Szöveg: Kate Ravilious/National Geographic