W Instytucie Optyki Kwantowej Maxa Plancka skupiono się na protonie – tej maleńkiej cząstce stanowiącej serce każdego atomu wodoru we Wszechświecie. Określenie jego dokładnych rozmiarów to nie akademicka ciekawostka, a klucz do zrozumienia, jak działa materia na najbardziej podstawowym poziomie. Każda nowa, precyzyjniejsza miara to test dla obowiązujących teorii. A Model Standardowy, ten szkielet współczesnej fizyki cząstek, właśnie przeszedł jeden z najsurowszych egzaminów.
Atom wodoru w roli precyzyjnego laboratorium kwantowego.
Aby zajrzeć do wnętrza protonu, naukowcy posłużyli się jego naturalnym, najprostszym otoczeniem – atomem wodoru. Składa się on jedynie z jednego protonu i krążącego wokół niego elektronu, co czyni go idealnym obiektem do badania praw mechaniki kwantowej. Zespół kierowany przez Lothara Maisenbachera zastosował niezwykle czułą spektroskopię laserową, skupiając się na bardzo specyficznym zjawisku: przejściu elektronu ze stanu wzbudzonego 2S do stanu 6P. Mierząc częstotliwość światła emitowanego podczas tego kwantowego „skoku” z bezprecedensową dokładnością, uzyskali konkretną, oszałamiająco precyzyjną liczbę: 730 690 248 610,7948 kiloherców. To wartość podana z dziesięcioma cyframi po przecinku. Różnica między tym zmierzonym wynikiem a tym, co przewiduje teoria, była mikroskopijna, wynosząc zaledwie 0,0025 kHz. Trudno nawet stworzyć analogię, która oddałaby skalę tej dokładności.
Czytaj także: Jak sztywny jest proton? Nowe badania potwierdzają, że istniejące teorie są prawidłowe
Nowy standard precyzji w pomiarach fundamentalnych.
Na podstawie tych nieprawdopodobnie dokładnych danych dotyczących atomu wodoru, fizycy byli w stanie wyliczyć promień ładunkowy samego protonu. Określili go na 0,840615 femtometra. Dla zobrazowania, jeden femtometr to jedna biliardowa część metra. Ten nowy pomiar jest około dwa i pół raza dokładniejszy od najlepszych poprzednich wyników uzyskanych tą samą metodą. Co istotne, wartość ta potwierdza nieco mniejszy promień, który pojawiał się w części wcześniejszych eksperymentów, a który przez lata stał w sprzeczności z pomiarami innymi technikami. Ta rozbieżność, zwana „puzzle’em promienia protonu”, spędzała sen z powiek fizykom, rodząc pytania o ewentualne luki w naszym rozumieniu. Najnowszy wynik zdaje się mocno opowiadać po jednej ze stron tego naukowego sporu.
Impreza dla Modelu Standardowego i lekkie rozczarowanie dla poszukiwaczy nowej fizyki.
Osiągnięcie niemieckiego zespołu to jeden z najrigorystyczniejszych testów kwantowej elektrodynamiki, czyli teorii opisującej oddziaływanie światła z materią, która jest filarem Modelu Standardowego. Potwierdzenie jej przewidywań z tak zawrotną precyzją to oczywiście powód do zadowolenia i dowód na siłę obecnych modeli. Z drugiej strony, dla tych, którzy liczą na odkrycie fizyki wykraczającej poza Model Standardowy – na ślady ciemnej materii, nowych cząstek czy nieznanych oddziaływań – to kolejna informacja, że pole manewru jest bardzo małe. Teoria trzyma się wyjątkowo mocno.
Czytaj także: Wewnątrz protonu kryje się nieznany świat. W jego eksplorowaniu pomogli Polacy
Nie oznacza to jednak końca poszukiwań. Wręcz przeciwnie, taka precyzja wyznacza nowy poziom, od którego trzeba zaczynać przyszłe eksperymenty. Historia fizyki uczy, że właśnie w najdrobniejszych, uporczywie powtarzających się rozbieżnościach między doświadczeniem a teorią często kryją się największe rewolucje. Na razie Model Standardowy święci triumf, ale naukowcy z pewnością będą wytężać wzrok, szukając choćby najmniejszej szczeliny w jego pancerzu. To żmudna praca, ale to w niej może tkwić klucz do następnego wielkiego skoku w naszym rozumieniu rzeczywistości.
