Ακτίνα πρωτονίου

Η πυρηνικός φυσικός Evangeline Downie δεν είχε προγραμματίσει να μελετήσει ένα από τα πλέον ακανθώδη ζητήματα, αυτό του πρωτονίου. Αλλά όταν βρέθηκε η ευκαιρία, η Downie δεν μπορούσε να πει όχι.

«Είναι το πρωτόνιο!!» αναφωνεί.

Τα μυστήρια που εξακολουθούν να στροβιλίζονται γύρω από αυτό το στολίδι του υποατομικού βασιλείου ήταν πολύ δελεαστικά για να αντισταθεί. Τα άφθονα αυτά σωματίδια αποτελούν ένα μεγάλο μέρος της ορατής ύλης στο σύμπαν. 

«Είμαστε φτιαγμένοι από αυτά, και δεν τα κατανοούμε πλήρως» λέει.
Πολλοί φυσικοί, που έχουν ψάξει βαθιά στην καρδιά του θέματος κατά τις τελευταίες δεκαετίες, έχουν δελεαστεί με τα πιο εξωτικά και άγνωστα υποατομικά σωματίδια όπως τα μεσόνια, τα νετρίνα και το διάσημο μποζόνιο Higgs – αλλά όχι με το ταπεινό πρωτόνιο.

Αλλά αντί να κυνηγούν το σπανιότερο από τα σπάνια, επιστήμονες όπως η Downie εξετάζουν επιμελώς το ίδιο το πρωτόνιο. Κατά τη διαδικασία, μερικοί από αυτούς τους λάτρεις πρωτονίων έχουν σκοντάψει επάνω σε προβλήματα σε περιοχές της φυσικής που οι επιστήμονες πίστευαν ότι είχαν καταλάβει. Παραδόξως, μερικά από τα πιο βασικά χαρακτηριστικά του σωματιδίου δεν έχουν διαλευκανθεί πλήρως. Οι τελευταίες μετρήσεις της ακτίνας του παρουσιάζουν μεγάλες αποκλίσεις μεταξύ τους,  γεγονός που γοήτευσε τη Downie.

Ακόμα, οι επιστήμονες δεν μπορούν να εξηγήσουν την προέλευση του σπιν του πρωτονίου, μια βασική κβαντική ιδιότητα. Και μερικοί φυσικοί έχουν μια βαθιά, αλλά ανεπιβεβαίωτη υποψία ότι τα φαινομενικά αιώνια σωματίδια δεν ζουν για πάντα – το πρωτόνιο μπορεί να αποσυντεθεί. Μία τέτοια αποσύνθεση προβλέπεται από θεωρίες που ενώνουν ανόμοιες δυνάμεις της φύσης κάτω από μία μεγάλη ομπρέλα. Αλλά δεν είμαστε ακόμα μάρτυρες μιας τέτοιας αποσύνθεσης.

Όπως και η βάση της πυραμίδας, η φυσική του πρωτονίου χρησιμεύει ως βάση για πολλά από αυτά που γνωρίζουν οι επιστήμονες για τη συμπεριφορά της ύλης. Για να γίνουν κατανοητές οι λεπτομέρειες του σύμπαντος, λέει η Downie,του Πανεπιστημίου George Washington στην Washington, DC, «πρέπει να αρχίσουμε με το απλούστερο σύστημα.»

Αξιολογώντας το μέγεθος
Για το μεγαλύτερο μέρος της ιστορίας του σύμπαντος, τα πρωτόνια ήταν VIPs (Very Important Particles: μτφρ. πολύ σημαντικά σωματίδια). Σχηματίστηκαν μόλις εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου μετά το Big Bang, όταν το σύμπαν ψύχθηκε αρκετά για τα θετικά φορτισμένα σωματίδια ώστε να πάρει μορφή. Αλλά τα πρωτόνια δεν ήρθαν στο προσκήνιο μέχρι περίπου πριν από 100 χρόνια, όταν ο Ernest Rutherford κατά το βομβαρδισμό αζώτου με ραδιενεργά παραγόμενα σωματίδια, διέσπασε τον πυρήνα απελευθερώνοντας πρωτόνια.

Ένα πρωτόνιο σε συνδυασμό με ένα μόνο ηλεκτρόνιο δημιουργεί το υδρογόνο – το πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν. Ο πυρήνας κάθε ατόμου αποτελείται από ένα ή περισσότερα πρωτόνια. Κάθε στοιχείο έχει ένα μοναδικό αριθμό πρωτονίων, που ορίζει τον ατομικό αριθμό του στοιχείου. Στον πυρήνα του ήλιου, η σύντηξη πρωτονίων παράγει θερμότητα και το φως που χρειάζεται για να αναπτυχθεί η ζωή. Οι κοσμικές ακτίνες αποτελούνται κυρίως  από πρωτόνια (87%) τα οποία κινούνται με υπερσχετικιστικές ταχύτητες και προσκρούοντας με σωμάτια της γήινης ατμόσφαιρας παράγουν βροχή από άλλα δευτερεύοντα σωματίδια, όπως  ηλεκτρόνια, μιόνια και νετρίνα.

Με λίγα λόγια, τα πρωτόνια είναι παντού. Ακόμη και πολύ μικρής κλίμακας τροποποιήσεις γύρω από το μικροσκοπικό σωματιδίο θα μπορούσαν να έχουν σημαντικές και ευρέως εφαρμόσιμες συνέπειες.

Σήμερα, η ασυμφωνία μερικών εκατοστών στις μετρήσεις της ακτίνας του πρωτονίου έχει προσελκύσει έντονο ενδιαφέρον. Μέχρι πριν από μερικά χρόνια, οι επιστήμονες συμφώνησαν και η ακτίνα του πρωτονίου ορίστηκε περίπου 0,88 femtometers, ή 0,88 εκατομμυριοστά του ενός δισεκατομμυριοστού του μέτρου (περίπου ένα τρισεκατομμυριοστό του πλάτους ενός σπόρου παπαρούνας).

Αλλά αυτή η τακτοποιημένη εικόνα απειλήθηκε σε διάστημα λίγων μόλις ωρών, το Μάιο του 2010, στο συνέδριο Precision Physics of Simple Atomic Systems στο Les Houches, Γαλλία. Δύο ομάδες επιστημόνων παρουσίασαν νέες, πιο ακριβείς μετρήσεις, αποκαλύπτοντας αυτό που θεωρούσαν ότι θα είναι το οριστικό μέγεθος του πρωτονίου. Όμως, οι μετρήσεις τους διαφώνησαν κατά περίπου 4 τοις εκατό (SN: 07/31/10, σ. 7 ).

«Και οι δύο αναμέναμε ότι θα πάρουμε τον ίδιο αριθμό, γι ‘αυτό μείναμε τόσο έκπληκτοι» λέει ο φυσικός Jan Bernauer του MIT.

Από μόνη της, μια μικρή αναθεώρηση της ακτίνας του πρωτονίου δεν θα ανέτρεπε τη φυσική. Παρά τις εκτεταμένες προσπάθειες, οι ομάδες δεν μπορούν να εξηγήσουν γιατί παίρνουν διαφορετικούς αριθμούς. Καθώς οι ερευνητές εξάλειψαν απλές εξηγήσεις για το αδιέξοδο, έχουν αρχίσει να αναρωτιούνται αν αυτή η αναντιστοιχία θα μπορούσε να είναι η πρώτη ένδειξη της κατάρρευσης αρχών της φυσικής.

Οι δύο ομάδες χρησιμοποίησαν διαφορετικές μεθόδους για να μετρήσουν το μέγεθος  του πρωτονίου. Σε ένα πείραμα στον επιταχυντή σωματιδίων MAMI στο Mainz, Γερμανία, ο Bernauer και οι συνεργάτες του, εκτίμησαν μέσω αλληλεπιδράσεων ελαστικής σκέδασης πρωτονίου – ηλεκτρονίου την ακτίνα περίπου 0,88 femtometers ( SN on-line: 12.17.10 ).

Αλλά μια ομάδα με επικεφαλής τον φυσικό Randolf Pohl του Ινστιτούτου Max Planck της Κβαντικής Οπτικής στο Garching της Γερμανίας, χρησιμοποίησε μια νέα, πιο ακριβή μέθοδο. Οι ερευνητές δημιούργησαν μιονικά άτομα υδρογόνου, άτομα υδρογόνου στα οποία τα ηλεκτρόνια αντικαταστάθηκαν από μιόνια. Σε ένα πείραμα στο Paul Scherrer Institute στην Villigen, Ελβετία, ο Pohl και οι συνεργάτες χρησιμοποίησαν λέιζερ για να αυξήσουν την ενέργεια των μιονίων. Η ποσότητα της ενέργειας που απαιτείται, εξαρτάται από το μέγεθος του πρωτονίου. Τα μιόνια 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, επιτρέποντας μετρήσεις 10 φορές πιο ακριβείς από τις μετρήσεις της ακτίνας μέσω αλληλεπιδράσεων ελαστικής σκέδασης πρωτονίου – ηλεκτρονίου.

Βάσει των αποτελεσμάτων του Pohl η ακτίνα του πρωτονίου είναι μικρότερη, περίπου 0.841femtometers -μία έντονη διαφοροποίηση σε σχέση με τις άλλες μετρήσεις. Ακόλουθες μετρήσεις του μιονικού δευτέριου – που έχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο στον πυρήνα του – αποκάλυψαν επίσης μικρότερο από το αναμενόμενο μέγεθος, όπως ανέφεραν πέρυσι στο Science ο Pohl και οι συνεργάτες του. Οι φυσικοί έχουν βασανίσει το μυαλό τους να εξηγήσουν γιατί οι δύο μετρήσεις είναι ασύμφωνες. Θα μπορούσε να φταίει το πειραματικό σφάλμα, αλλά κανείς δεν μπορεί να εντοπίσει την πηγή του. Ταυτόχρονα, η θεωρία της φυσικής που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ακτίνας από τα πειραματικά δεδομένα “φαίνεται” στέρεη.

Τώρα, ολοένα και πιο “αλλόκοτες” δυνατότητες μπορούν να αξιοποιηθούν. Ένα απροσδόκητο νέο σωματίδιο που αλληλεπιδρά με μιόνια αλλά όχι με ηλεκτρόνια θα μπορούσε να εξηγήσει τη διαφορά ( SN: 02/23/13, σ. 8 ).
 
Αυτό θα ήταν επαναστατικό: Οι φυσικοί πιστεύουν ότι τα ηλεκτρόνια και τα μιόνια θα πρέπει να συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο στις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων.

«Είναι μια πολύ ιερή αρχή στη θεωρητική φυσική» λέει ο John Negele, ένας θεωρητικός φυσικός σωματιδίων στο MIT. «Αν υπάρχει σαφής ένδειξη ότι έχει ήδη σπάσει, αυτό είναι πραγματικά μια θεμελιώδης ανακάλυψη.»

Αλλά οι καθιερωμένες θεωρίες της φυσικής δύσκολα πεθαίνουν. Σείοντας τα θεμέλια της φυσικής, ο Pohl, λέει, «είναι αυτό που ονειρεύομαι, αλλά νομίζω ότι δεν πρόκειται να συμβεί.» Αντ’ αυτού, υποψιάζεται, ότι η διαφορά είναι πιο πιθανό να εξηγηθεί μέσα από μικρής κλίμακας τροποποιήσεις στα πειράματα ή τη θεωρία.

Το γοητευτικό μυστήριο της ακτίνας του πρωτονίου συνεπήρε τη Downie. Κατά τη διάρκεια των συνομιλιών στο εργαστήριο με μερικούς συναδέλφους φυσικούς, πληροφορήθηκε για ένα επερχόμενο πείραμα που θα μπορούσε να συμβάλει στη διευθέτηση του ζητήματος. Οι ιδρυτές του πειράματος έψαχναν για συνεργάτες και η Downie πήδησε στο τρενάκι. Κατά το πείραμα σκέδασης μιονίου-πρωτονίου (MUSE, Muon Proton Scattering Experiment), που θα λάβει χώρα στις αρχές του 2018 στο Paul Scherrer Institute, θα πραγματοποιήσουν σκεδάσεις πρωτονίου-μιονίου και πρωτονίου-ηλεκτρονίου ώστε να συγκρίνουν τα αποτελέσματα. Το πείραμα προσφέρει έναν τρόπο να ελεγχθεί αν τα δύο σωματίδια συμπεριφέρονται διαφορετικά, λέει η Downie, η οποία είναι τώρα εκπρόσωπος της MUSE.

Μια σειρά από άλλα πειράματα βρίσκονται σε εξέλιξη ή στον αρχικό σχεδιασμό. Οι επιστήμονες με το πείραμα Prad (Proton Radius), που βρίσκεται στο Jefferson Lab στο Newport News, VΑ., ελπίζουν να βελτιώσουν τις μετρήσεις σκέδασης ηλεκτρονίων της ομάδας του Bernauer.  Οι ερευνητές του Prad θα αναλύσουν τα δεδομένα τους και θα έχουν σύντομα μια νέα σειρά αποτελεσμάτων για την ακτίνα του πρωτονίου.

Αλλά για τώρα, η κρίση ταυτότητας του πρωτονίου, τουλάχιστον όσον αφορά το μέγεθος του, παραμένει. 

Και δημιουργεί προβλήματα για ένα πείραμα μιας από τις πιο βασικές θεωρίες της φυσικής. Η κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED, Quantum ElectroDynamics), η θεωρία που ενώνει την κβαντομηχανική και την ειδική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, περιγράφει τη φυσική του ηλεκτρομαγνητισμού στις μικρές κλίμακες. Χρησιμοποιώντας αυτή τη θεωρία, οι επιστήμονες μπορούν να υπολογίσουν τις ιδιότητες των κβαντικών συστημάτων, όπως τα άτομα υδρογόνου, με εξαιρετική λεπτομέρεια – και μέχρι στιγμής οι προβλέψεις ταιριάζουν με την πραγματικότητα. Αλλά οι υπολογισμοί απαιτούν μέγιστη ακρίβεια των στοιχείων – συμπεριλαμβανομένης της ακτίνας του πρωτονίου. Ως εκ τούτου, η ακριβής μέτρηση του μεγέθους του πρωτονίου είναι επιτακτική.