Wszystko zaczęło się w 2010 roku, kiedy to eksperymenty z wykorzystaniem egzotycznej formy wodoru, tzw. wodoru mionowego, dostarczyły wyników sprzecznych z dotychczasowymi ustaleniami. W atomie wodoru mionowego elektron zostaje zastąpiony mionem – cząstką o tym samym ładunku, ale blisko 200 razy cięższą. Ze względu na swoją masę, mion krąży znacznie bliżej protonu, co czyni go niezwykle czułym sensorem rozmiaru jądra atomowego. Ku zaskoczeniu naukowców, pomiary te wykazały promień protonu mniejszy o około 4% od wartości uzyskanych wcześniej przy użyciu zwykłego wodoru i rozpraszania elektronów.
Ta rozbieżność postawiła pod znakiem zapytania naszą wiedzę o elektrodynamice kwantowej (QED) oraz stałych fizycznych. Czy błąd tkwił w obliczeniach, czy może odkryliśmy ślady „nowej fizyki”, która wykracza poza Model Standardowy? Przez 16 lat badacze z całego świata próbowali rozstrzygnąć ten spór, a najnowsza publikacja zespołu kierowanego przez R. G. Bullisa wydaje się stawiać kropkę nad „i”.
Nowatorska metoda pomiaru i zaawansowana technologia
Aby ostatecznie zweryfikować wielkość protonu, naukowcy wykorzystali atom wodoru w jego klasycznej formie, jednak zastosowali techniki pomiarowe o bezprecedensowej dokładności. Kluczem do sukcesu okazała się spektroskopia laserowa wysokiej rozdzielczości oraz wykorzystanie kriogenicznej wiązki atomowej wodoru. Schłodzenie atomów do ekstremalnie niskich temperatur pozwoliło na drastyczne zredukowanie błędów wynikających z ruchu termicznego cząsteczek, takich jak przesunięcie dopplerowskie.
Czytaj także: Proton właśnie stał się mniejszym problemem. Rekordowy pomiar dociska fizykę do ściany
Precyzja eksperymentu była możliwa dzięki wsparciu Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST), który udostępnił cezowe zegary atomowe do kalibracji częstotliwości. Naukowcy skupili się na pomiarach częstotliwości przejść energetycznych między stanami 2S i nS. Są to przejścia szczególnie wrażliwe na strukturę i rozmiar jądra, co pozwala na bezpośrednie wyliczenie promienia ładunkowego protonu oraz tzw. częstotliwości Rydberga – jednej z najważniejszych stałych w fizyce atomowej.
Proton jest mniejszy – co to oznacza w praktyce?
Wynik uzyskany przez zespół badawczy to 0,8433 femtometra (femtometr to jedna biliardowa część metra). Wartość ta jest w pełni zgodna z wynikami uzyskanymi dla wodoru mionowego oraz z najnowszymi rekomendacjami CODATA. Potwierdzenie mniejszego promienia protonu przy użyciu zwykłego wodoru sugeruje, że wcześniejsze, większe pomiary mogły być obarczone subtelnymi błędami systematycznymi, które teraz udało się wyeliminować.
Podczas badań zespół musiał zmierzyć się z szeregiem wyzwań technicznych, w tym z efektami Starka (wpływem zewnętrznych pól elektrycznych na poziomy energetyczne), przesunięciami Dopplera oraz wpływem promieniowania ciała czarnego. Precyzyjne opanowanie tych zmiennych pozwoliło na uzyskanie wyniku, który z dużą pewnością potwierdza „mniejszą” naturę protonu.
Okno na nową fizykę i technologie przyszłości
Choć zagadka rozmiaru wydaje się rozwiązana, otwiera ona drzwi do jeszcze ciekawszych pytań. Badacze podkreślają, że ich metoda może posłużyć do testowania teorii wykraczających poza Model Standardowy (BSM – Beyond Standard Model). Jedną z takich teorii jest istnienie lekkich bozonów, które mogłyby modyfikować potencjał Coulomba i wpływać na stałą Rydberga w zależności od głównej liczby kwantowej przejść atomowych.
Czytaj także: Stuletnia wiedza o protonie właśnie legła w gruzach. Naukowcy muszą przemyśleć fundamentalne teorie
„Nasze wyniki są szczególnie istotne dla teorii BSM. Ponieważ mierzymy trzy różne przejścia w tym samym aparacie z niezwykłą precyzją, możemy nałożyć silne ograniczenia na parametry tych egzotycznych cząstek” – wyjaśniają autorzy badania. Kolejnym krokiem ma być rozszerzenie pomiarów na deuter (izotop wodoru z neutronem w jądrze), co pozwoli na jeszcze dokładniejsze testowanie oddziaływań jądrowych.
Zrozumienie dokładnej struktury protonu ma fundamentalne znaczenie nie tylko dla fizyki teoretycznej, ale także dla rozwoju technologii kwantowych. Precyzyjne wyznaczenie stałych fizycznych pozwala na budowę jeszcze dokładniejszych zegarów atomowych i systemów nawigacyjnych, a także na lepsze modelowanie reakcji jądrowych. Dzięki pracy zespołu R. G. Bullisa, fundamenty naszej wiedzy o materii stały się właśnie znacznie stabilniejsze.
