Το αίνιγμα του πρωτονίου: ένα πρόβλημα στην καρδιά του ατόμου

Νομίζαμε ότι είχαμε κατανοήσει τα πρωτόνια, τούτα όμως τα θεμέλια των πυρήνων μπορεί να αναστατώσουν τις θεωρίες της σωματιδιακής φυσικής.

Στα 10²⁹ χρόνια ζωής ενός πρωτονίου, τα 10 χρόνια είναι απλώς μια απειροελάχιστη στιγμή. Αυτά τα απίστευτα σταθερά σωματίδια, τα θεμέλια του πυρήνα, δεν είναι επιρρεπείς στην παρακμή και την διάσπαση όπως κάποια άλλα υποατομικά σωματίδια τους. Σύμφωνα με τις τρέχουσες εκτιμήσεις μας, ένα πρωτόνιο θα επιβιώσει για περισσότερο από 10²⁹ χρόνια – πάνω από ένα δισεκατομμύριο του δισεκατομμυρίου φορές την ηλικία του σύμπαντος.

Δέκα χρόνια όμως πέρασαν για να αποδείξει ο Randolph Pohl και οι συνεργάτες του ότι το πρωτόνιο δεν είναι ό,τι φαίνεται. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων τους στο Ινστιτούτο Paul Scherrer (PSI) της Ελβετίας, δημοσιεύθηκαν τον Ιούλιο του 2010. Το πρωτόνιο δεν έγινε ξαφνικά λιγότερο σταθερό. Αλλά ήταν αρκετά μικρότερο από αυτό που θεωρητικά έδειξαν τα προηγούμενα πειράματα.

Στον υπερακριβή κόσμο της υποατομικής φυσικής, αυτό ήταν δυναμίτης. Ακολούθησε λοιπόν μια καταιγίδα αγωγών και αντεκλήσεων μεταξύ των φυσικών. Αλλά ενώ τώρα τελειώνουν οι απλούστερες εξηγήσεις, φαίνεται ότι η μυστηριώδης συρρίκνωση του πρωτονίου έχει ανοίξει μια ‘τρύπα’ στην κατανόηση μας για την λειτουργία των ατόμων.

Τα κατορθώματα των πρωτονίων, όπως και όλων των φορτισμένων σωματιδίων, εξηγούνται από την κβαντική ηλεκτροδυναμική, ή QED. Μία πτυχή που περιγράφει αυτή η θεωρία είναι πώς μεταδίδεται η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, με τη βοήθεια των φωτονίων (διαδότες της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης), με αποτέλεσμα να αναγκάζει τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω από τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια. Με αυτό τον τρόπο καθιστά δυνατή την ύπαρξη των ατόμων. Βαθύτερα μέσα στον πυρήνα βρίσκεται το βασίλειο της κβαντικής χρωμοδυναμικής ή QCD, που περιγράφει πώς τα πρωτόνια και τα παρόμοια σωματίδια αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια – τα κουάρκ – καθώς και γκλουόνια, που συνδέουν αυτά τα κουάρκ μαζί. Μαζί, οι δύο θεωρίες QED και QCD είναι οι δύο πυλώνες του Καθιερωμένου Μοντέλου της Σωματιδιακής Φυσικής.

Η εσωτερική ζωή των πρωτονίων είναι γνωστό ότι είναι σκοτεινή και αδιαπέραστη. Προς τα έξω, όμως, όλοι φαίνεται όμορφα και φωτεινά. Πάρτε για παράδειγμα την ακτίνα του πρωτονίου, της οποίας η αποδεκτή τιμή έχει κανονιστεί χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικά είδη μετρήσεων. Με το πρώτο, η άμεση προσέγγιση είναι να πυροβολούν ηλεκτρόνια στη κατεύθυνση των πρωτονίων. Μετρώντας σε ποιο σημείο αυτά τα ηλεκτρόνια ξεκινούν την προς τα πίσω αναπήδηση τους, μπορούμε έτσι να πάρουμε μια ιδέα που τα ηλεκτρόνια συναντούν την ασαφή μπάλα του φορτίου των πρωτονίων.

 

Σκανταλιές των μιονίων

Η δεύτερη προσέγγιση περιλαμβάνει τη μέτρηση των ενεργειακών επιπέδων της τροχιάς των ηλεκτρονίων που περιβάλλουν το κεντρικό πρωτόνιο στο άτομο του υδρογόνου. Τα επίπεδα ενέργειας μπορούν να ενταχθούν στους υπολογισμούς της QED για να καθορίσουμε το μέγεθος της σφαίρας του φορτίου του πρωτονίου ώστε να συγκρατεί το ηλεκτρόνιο σε αυτές τις τροχιές.

Τα αποτελέσματα αυτών των δύο προσεγγίσεων βρίσκεται σε καλή συμφωνία. Κατά μέσο όρο δίνουν στο πρωτόνιο μια ακτίνα 0,877 femtometres (1 femtometre=10⁻¹⁵ m), ή κάτω από to ένα τρισεκατομμυριοστό του χιλιοστού.

Έτσι όλα πήγαιναν καλά, μέχρι που ο Randolph Pohl και οι συνάδελφοί ανέλαβαν να υπολογίσουν ξανά την ακτίνα του πρωτονίου με μια τρίτη, δήθεν ακριβέστερη μέθοδο,  στα τέλη του ΄90. Δημιούργησαν λοιπόν άτομα παρόμοια με του υδρογόνου, αλλά, στα οποία τα ηλεκτρόνια αντικαταστάθηκαν από μιόνια. Τα σωματίδια αυτά έχουν το ίδιο αρνητικό φορτίο με τα ηλεκτρόνια, αλλά είναι περίπου 200 φορές πιο βαριά. Αυτό σημαίνει ότι στρέφονται 200 φορές πιο κοντά στον πυρήνα από τα ηλεκτρόνια (σύμφωνα με τον τύπο της κεντρομόλου δύναμης), δίνοντάς τους μια πιο ‘προσωπική’ αίσθηση για το πόσο μεγάλο είναι το πρωτόνιο.

Η μέτρηση της τροχιακής  ενέργειας του μιονίου σήμαινε να μαντέψουν πρώτα το χάσμα μεταξύ των δύο ενεργειακών επιπέδων που τους ενδιέφερε, έτσι ώστε ένα λέιζερ να μπορούσε να συντονιστεί κατάλληλα στη σωστή συχνότητα, για να διώξει ένα μιόνιο από το ένα επίπεδο στο άλλο. Η ομάδα το κατάφερε αντιστρέφοντας τις εξισώσεις της QED και τις σύνδεσε με την αποδεκτή τιμή για την ακτίνα του πρωτονίου, έτσι ώστε να δοθεί ένα σημείο εκκίνησης κατ’ εκτίμηση.

Στις πρώτες δύο προσπάθειες εκτέλεσης του πειράματος, το 2003 και το 2007, η προσέγγιση αυτή δεν λειτούργησε: τα μιόνια δεν αποκρίθηκαν. Και φτάσαμε το 2009, όταν η ομάδα είχε ένα νέο λέιζερ που θα μπορούσε να φθάσει σε υψηλότερες συχνότητες, κι έτσι βρήκαν την ιδανική θέση για να ακροαστούν πως χορεύουν τα μιόνια. Η τροφοδότηση με τα προσδιορισμένα πειραματικά επίπεδα ενέργειας στις εξισώσεις της QED, τους σόκαρε. Το σφάλμα στην ακτίνα του πρωτονίου είχε συρρικνωθεί κατά ένα συντελεστή 10, όπως ήταν αναμενόμενο – αλλά η ακτίνα είχε συρρικνωθεί αρκετά. Αυτή βρέθηκε 0,8418 femtometres, ή περίπου 4%  χαμηλότερη από τον προηγούμενο μέσο όρο.

Τέσσερα τοις εκατό μπορεί να μην μας φαίνεται και  πολύ, αλλά στην QED, όπου η θεωρία και το πείραμα συμφωνούν το πολύ κατά 1 ή 2 μέρη προς 1 δισεκατομμύριο, έφερε μια τεράστια αμηχανία. Και δεν υπήρχε μια εμφανής ρωγμή στη μέτρηση. «Έπρεπε να πάρουμε την διαφορά σοβαρά», λέει ο Michael Distler του Πανεπιστημίου του Mainz στη Γερμανία.

Έτσι, μόλις λίγες εβδομάδες αργότερα, ο Distler και οι συνεργάτες του χόντρυναν το παιχνίδι ακόμα περισσότερο. Δημοσίευσαν μια μέτρηση για την ακτίνα του πρωτονίου με τη δοκιμασμένη μέθοδο της σκέδασης του ηλεκτρονίου, η οποία δεν διπλασίασε μόνο την ακρίβειά της, αλλά έφερε την τιμή της μεθόδου αυτής ίση σχεδόν με αυτήν που παίρναμε με τη μέτρηση της μετατόπισης των επιπέδων ενέργειας στο κανονικό υδρογόνο. Το πείραμα με τα μιόνια, το οποίο θα έπρεπε να είχε την πιο ακριβή τιμή, περιέργως έμεινε απέξω. Αλλά γιατί;

Μία πρώτη προσέγγιση έλεγε ότι το πρωτόνιο περιβάλλεται από ένα μεγάλο και διάχυτο φωτοστέφανο θετικού φορτίου, που σημαίνει ότι το ηλεκτρόνιο που στρέφεται μακριά του και το μιόνιο πιο κοντά του, «βλέπουν» πρωτόνια διαφόρων μεγεθών. Αυτό το μοντέλο φαίνεται να έχει αποκλεισθεί, καίτοι, έκανε και άλλες προβλέψεις. Τώρα η προσοχή όλων έχει στραφεί σε πιο θεμελιώδεις πιθανές ατέλειες: ότι μπορεί να έχουμε αγνοήσει κάποιες λεπτές έννοιες στη λειτουργία της QED, ή ότι από την ίδια την QED  λείπει κάτι.

Η πρώτη δυνατότητα απορρέει από το γεγονός ότι, σύμφωνα με την QED, δύο φορτισμένα σωματίδια σε τροχιά το ένα γύρω από το άλλο θα ανταλλάσσουν φωτόνια. Όσο ισχυρότερος είναι ο δεσμός μεταξύ των σωματιδίων, τόση περισσότερη ενέργεια θα έχουν αυτά τα φωτόνια. Αν η ενέργεια παραβιάζει ένα ορισμένο όρια, τότε μπορεί να παραχθεί ένα φωτόνιο και σύντομα αυτό να μορφοποιηθεί σε ένα σωματίδιο και στο αντισωματίδιό του – ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο, για παράδειγμα (δεξιά κάτω εικόνα) – προτού να ξαναγίνει και πάλι φωτόνιο.

Επειδή είναι απαραίτητος ένας ισχυρότερος δεσμός σε ένα πρωτόνιο ώστε να ‘χαλιναγωγηθεί’ το πιο μεγάλο μιόνιο, υπάρχουν μεγαλύτερα περιθώρια για κάτι τέτοιο στο μιονικό υδρογόνο. Η άποψη των φυσικών είναι ότι ένα παχύ νέφος από εφήμερα σωματίδια και αντισωματίδια προστατεύουν το μιόνιο που βρίσκεται σε τροχιά, από κάποιες ελκτικές επιδράσεις του πρωτονίου, μειώνοντας έτσι την πραγματική ακτίνα του πρωτονίου (κάτω εικόνα).

 

Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη διαδίδεται από τα φωτόνια επιτρέποντας στο αρνητικό μιόνιο να βρίσκεται σε τροχιά γύρω από το θετικό πρωτόνιο. Τα φωτόνια αυτά (δεξιά) σχηματίζουν ένα  ζεύγος σωματιδίων – πχ ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου – προκαλώντας μια ασάφεια στην έλξη μιονίου-πρωτονίου. Που σημαίνει πως το πρωτόνιο φαίνεται να δρα πιο ελκτικά από ότι είναι στην πράξη. 

 

Αυτό φαίνεται εύλογο, αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα: η εξεύρεση ενός κατάλληλου ζεύγους σωματιδίου-αντισωματιδίου, που να παράγει ακριβώς το σωστό ποσό της θωράκισης. Και αυτός ο περιορισμός απαιτεί το ζεύγος να έχει συνολική μάζα περίπου 46 MeV – πολύ περισσότερη από ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου, που ζυγίζει μόλις πάνω από 1 MeV, αλλά πολύ λιγότερο από τα 200 MeV που απαιτούνται για ένα ζεύγος μιονίου-αντιμιονίου.

 

Μια κάποια λύση

Ο Ulrich Jentschura, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μιζούρι, που κάνει πράγματα δύσκολα, λέει: “Η θεωρία έχει ένα πρόβλημα ακόμη και να εφεύρει ένα σωματίδιο που θα μπορούσε να εξηγήσει τη διαφορά χωρίς μπέρδεμα". Αυτός και άλλοι φυσικοί λοιπόν έχουν αναλύσει την πιθανότητα ώστε η εκτροπή να οφείλεται σε ένα νέο σωματίδιο από ένα “κρυφό πεδίο" του καθιερωμένου μοντέλου. Μέχρι στιγμής, όμως, δεν έχουν βρει τίποτα που να μην διαταράξει τα σωστά πειραματικά αποτελέσματα στο κανονικό υδρογόνο.

Η πρόταση που έρχεται από την ομάδα του Mainz είναι ότι ο ένοχος είναι ένα ζεύγος κουάρκ-αντικουάρκ. Αυτό όμως είναι αμφιλεγόμενο. Τόσο τα κουάρκ όσο και τα αντισωματίδια τους είναι γνωστά ότι είναι περιορισμένα μέσα σε σωματίδια όπως το πρωτόνιο, όπου περιστοιχίζονται από πολλά γκλουόνια. Το ελαφρύτερο γνωστό σωματίδιο που περιέχει ένα ζεύγος κουάρκ-αντικουάρκ, το πιόνιο, έχει μάζα 140 MeV. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι δεσμευμένα ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ μπορεί να εμφανίζονται και να εξαφανίζονται τόσο γρήγορα που ποτέ δεν αποκτήσουν όλα αυτά γκλουόνια. Στην περίπτωση αυτή, θα μπορούσαν να είναι ελαφρύτερα.

Βεβαίως, δεν έχουν πειστεί όλοι γι αυτή την εξήγηση. Ο Krzysztof Pachucki του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας συμφωνεί ότι η QED μπορεί να συνδεθούν με την QCD των κουάρκ και γκλουονίων ώστε να παράγουν απρόβλεπτες ή υποτιμημένες αλληλεπιδράσεις – αλλά επισημαίνει ότι, και πάλι, θα περιμέναμε να δούμε τα αποτελέσματά τους και σε άλλα πειράματα.

Αυτό αφήνει το ενδεχόμενο να υπάρχει μια κηλίδα στην ίδια την QED. Λίγοι όμως φυσικοί πιστεύουν ότι είναι τούτο πιθανό, δεδομένης της υπερθετικής ακρίβειας της θεωρίας σε όλες σχεδόν τις προβλέψεις της. Ακόμα κι έτσι, οι θεωρητικοί κτενίζουν τις σχετικές εξισώσεις για ένα σημάδι ότι κάτι λείπει. "Μέχρι τώρα, δεν έχει βρεθεί τίποτα μεγάλο για να εξηγήσει την διαφορά του 4%” , λέει ο Γάλλος θεωρητικός Paul Indelicato.

 

Μια χαραμάδα

Ο Alexander Kholmetskii του Πανεπιστημίου της Λευκορωσίας και οι συνεργάτες του, πιστεύουν ότι έχουν κάτι. Το πρόβλημα έγκειται, ισχυρίζονται, με την εξίσωση – την εξίσωση Dirac – που ήταν ο θεμέλιος λίθος για την QED και χρησιμοποιείται για να περιγράψει τις ενεργειακές καταστάσεις των σωματιδίων, όπως ένα ηλεκτρόνιο ή ένα μιόνιο σε ένα άτομο. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι με την κατάλληλη διόρθωση στο άτομο του υδρογόνου έχουμε τέλεια σύμπτωση στα αποτελέσματα, ενώ στο άτομο με το μιόνιο έχουμε μια μικρή διόρθωση.

Η εξίσωση όμως του Dirac τυγχάνει μιας ευρύτατης αποδοχής ως μία από τις πιο όμορφες και συνοπτικές εξισώσεις, οπότε η τυχόν διόρθωση της δεν βρίσκει σύμφωνους τους φυσικούς.

Τα αποτελέσματα αυτά όπως και άλλα ακόμα, είναι σε αδιέξοδο. "Βασικά περιμένουμε ένα λαμπρό νεαρό άτομο ώστε να καταλήξει σε κάποια φαεινή ιδέα”, λένε οι φυσικοί.

Γιατί όμως μας νοιάζει τόσο πολύ για την ακτίνα του πρωτονίου; Πρώτον, διότι όλοι  αποτελούμαστε από πρωτόνια και νετρόνια και θα θέλαμε να γνωρίζουμε πώς λειτουργούμε. Για τους φυσικούς, όμως, υπάρχει ακόμα κάτι περισσότερο σε κίνδυνο. Αν υπάρχει μια Θεωρία των Πάντων, αναμένουμε ότι θα μοιάζει αρκετά με την QCD. Αν δεν μπορούμε να καταλάβουμε τι συμβαίνει στο εσωτερικό του ταπεινού πρωτονίου, δεν ελπίζουμε ότι θα είναι εύκολο να τα βγάλουμε πέρα ​​με τη μεγαλύτερη θεωρία.