Proton, będący jednym z podstawowych składników materii, od dekad wydawał się dobrze poznany. Jednak w 2010 roku naukowcy natrafili na poważną niezgodność w jego pomiarach. W zależności od zastosowanej metody – czy badano zwykły atom wodoru, czy jego egzotyczną wersję z mionem – uzyskiwano różne wartości promienia protonu. Różnica wynosiła kilka procent, co w fizyce cząstek elementarnych jest ogromnym odstępstwem. Zjawisko to nazwano zagadką promienia protonu i przez lata pozostawało ono jednym z potencjalnych sygnałów wskazujących na istnienie nowej fizyki.
Czytaj też: Technologia jak z filmu o Bondzie. Fizyka kwantowa pozwala wykryć czyjąś lokalizację z ogromną dokładnością
Nowe badania przynoszą jednak istotny przełom. Zespół stojący za publikacją zamieszczoną na łamach Physical Review Letters wykorzystał wyjątkowo precyzyjną spektroskopię wodoru, analizując wcześniej niebadane przejścia energetyczne w atomie. Dzięki temu udało się określić rozmiar protonu z niespotykaną dotąd dokładnością. Kluczowe jest to, iż wynik ten jest zgodny z przewidywaniami elektrodynamiki kwantowej, czyli jednej z najlepiej potwierdzonych teorii fizycznych, a także z przewidywaniami całego modelu standardowego.
Precyzja pomiaru osiągnęła poziom, który jeszcze kilka lat temu wydawał się nieosiągalny. Fizycy mówią o testowaniu teorii z dokładnością sięgającą ułamków miliardowych części, co oznacza, iż ewentualne odchylenia od przewidywań byłyby natychmiast widoczne. Tymczasem nowe dane nie tylko nie wykazują takich odchyleń, ale wręcz jeszcze bardziej potwierdzają obowiązujący opis świata cząstek elementarnych.
To ma poważne konsekwencje dla fizyki teoretycznej. Przez lata zagadka protonu była traktowana jako potencjalna wskazówka, że istnieją nieznane jeszcze oddziaływania lub cząstki. Niektórzy badacze sugerowali nawet istnienie nowej siły natury działającej inaczej na miony niż na elektrony. Najnowsze wyniki znacząco ograniczają takie scenariusze. Jeśli nowe prawa fizyki istnieją, muszą być jeszcze trudniejsze do wykrycia, niż wcześniej sądzono.
Nie oznacza to jednak, że sprawa jest całkowicie zamknięta. Pomiar rozmiaru protonu pozostaje jednym z najbardziej wymagających eksperymentów w fizyce – wymaga ekstremalnej kontroli warunków oraz precyzji aparatury. Każde kolejne badanie nie tylko weryfikuje wcześniejsze wyniki, lecz dodatkowo pozwala udoskonalać metody pomiarowe i testować granice teorii.
Czytaj też: Jeden obiekt w dwóch różnych miejscach jednocześnie. Fizycy dostarczyli przełomowych dowodów
Dokładna znajomość rozmiaru protonu ma znaczenie nie tylko dla fizyki cząstek. Wpływa ona również na inne fundamentalne stałe, takie jak stała Rydberga, która opisuje widmo atomu wodoru i jest jedną z najdokładniej wyznaczonych wielkości w nauce. Nawet minimalne korekty w wartości promienia protonu mogą więc mieć szerokie konsekwencje dla całej fizyki atomowej.
Źródło: Physical Review Letters
