Jak duży jest proton? Zagadka, która zaczęła się od mionów w PSI

Co znaczy rozmiar protonu

Proton nie ma ostrej krawędzi jak kula bilardowa. Jego ładunek elektryczny jest rozmyty, a rozmiar tej chmury fizycy opisują jedną liczbą – promieniem ładunkowym. Mierzy się go w femtometrach: jeden femtometr to 10⁻¹⁵ metra.

Do 2010 roku promień wyznaczano dwoma rodzajami doświadczeń. W jednym ostrzeliwano protony elektronami i badano, jak się rozpraszają. W drugim mierzono laserami poziomy energetyczne zwykłego wodoru, bo elektron przebywający blisko protonu „czuje” jego rozmiar i poziomy energii nieznacznie się przesuwają. Obie metody dawały około 0,88 femtometra. Wartość zalecana w 2006 roku przez CODATA, międzynarodowy zespół ustalający stałe fizyczne, wynosiła 0,8768 femtometra.

Dlaczego pomaga mion

Wpływ rozmiaru protonu na wodór jest znikomy, bo elektron rzadko bywa blisko jądra. Mion to cięższy krewny elektronu, około 200 razy cięższy. Gdy zajmie miejsce elektronu, krąży znacznie bliżej protonu, a poziomy energii stają się o wiele czulsze na jego rozmiar.

Kłopot w tym, że miony nie żyją długo. Mion rozpada się w ciągu około dwóch milionowych sekundy, więc atom wodoru trzeba w tym czasie utworzyć i zmierzyć. Do doświadczenia potrzebna była bardzo intensywna wiązka mionów, a PSI pisze, że jego źródło mionów jest jedynym miejscem na świecie, które daje dostatecznie intensywną. Zespół zbudował całą aparaturę od zera, w tym specjalnie opracowany laser podczerwony, który dało się odpalić chwilę po nadejściu mionu. Według PSI pomysł zgłoszono tam około 30 lat wcześniej, a od startu projektu do wyniku minęło ponad dziesięć lat.

2010: mniejszy proton

Wynik ukazał się w Nature 8 lipca 2010 roku; podpisało go konsorcjum instytucji ze Szwajcarii, Niemiec, Francji i Portugalii. Proton wyszedł na 0,84184 femtometra, czyli około 4 procent mniej niż wartość przyjęta. Według PSI różnica była zbyt duża, by wyjaśnić ją niedokładnością pomiarów.

Członkowie zespołu przyznawali, że żadnej rozbieżności się nie spodziewali. Jeśli nowa wartość była prawdziwa, korekty wymagałby albo fragment elektrodynamiki kwantowej, najdokładniej sprawdzonej teorii w fizyce, albo stała Rydberga, jedna z najprecyzyjniej wyznaczonych stałych. Wynik opisuje też strona PSI.

W konsorcjum pracowały PSI, ETH Zurych i Uniwersytet we Fryburgu ze Szwajcarii, Instytut Optyki Kwantowej Maxa Plancka w Garching i Uniwersytet w Stuttgarcie z Niemiec, Laboratoire Kastler Brossel z Paryża oraz Uniwersytet w Coimbrze z Portugalii. Noblista Theodor Hänsch, jeden z naukowców projektu, nazwał wodór „kamieniem z Rosetty fizyki kwantowej”: ponieważ to najprostszy atom, jego poziomy energii da się z ogromną precyzją zarówno obliczyć, jak i zmierzyć, a każda niezgodność między jednym a drugim jest sygnałem wartym zbadania.

2013 i później: zagadka, nie pomyłka

W styczniu 2013 roku ten sam zespół opisał w Science drugi pomiar, oparty na innym przejściu w wodorze mionowym. Dał on 0,84087 femtometra – zgodnie z wynikiem z 2010 roku, ale 1,7 razy dokładniej – a przy okazji promień magnetyczny protonu. Rozbieżność z wartościami z pomiarów elektronowych pozostała. PSI wymieniało wtedy możliwe wyjaśnienia: nierozpoznane błędy wpływające na wszystkie pomiary, budowę protonu bardziej złożoną, niż zakładano, ujawniającą się dopiero przy ciężkim mionie, albo fizykę spoza Modelu Standardowego.

Rozpraszanie elektronów też nie rozstrzygnęło sprawy. Duży eksperyment rozproszeniowy w Moguncji, opublikowany w 2010 roku, dał 0,879 femtometra. Ponowne analizy starszych danych rozproszeniowych dawały wartości od około 0,84 do ponad 0,9. Przez kilka lat CODATA pomijała wyniki mionowe w swoim uzgodnieniu; jej wartość z 2014 roku wciąż wynosiła 0,8751 femtometra.

Nowe pomiary zwykłego wodoru

Zwrot przyniósł zwykły wodór. Pomiar laserowy opublikowany w 2017 roku dał 0,8335 femtometra, a opublikowany w 2019 roku pomiar tego samego przejścia 2S–2P, które wykorzystał eksperyment mionowy – 0,833. Pomiar innego przejścia, opublikowany w 2018 roku, dał natomiast 0,877, więc nawet wyniki dla wodoru nie były zgodne. Nowy eksperyment z rozpraszaniem elektronów, opublikowany w 2019 roku, dał 0,831.

W uzgodnieniu z 2018 roku CODATA postanowiła, że danych z wodoru mionowego nie należy już pomijać, i zaznaczyła, że mniejsza rozbieżność wynika głównie z dwóch nowych pomiarów wodoru wskazujących na mniejszy promień. Stwierdziła też, że napięcie między metodami nie zostało całkowicie usunięte. Wartość zalecana CODATA 2022 wynosi 0,84075 femtometra z niepewnością 0,00064 – blisko wyników mionowych.

Czego uczy ta historia

Proton się nie skurczył. Zmienił się pomiar, a wraz z nim przyjęta liczba. Ta historia pokazuje, jak precyzyjny wynik z jednego urządzenia może podważyć wartość, co do której kilka metod zdawało się zgadzać, i jak długo – tutaj ponad dekadę – trwa, zanim niezależne doświadczenia go potwierdzą albo obalą.

Prace w PSI trwają. W 2013 roku PSI wskazało jako kolejny krok spektroskopię laserową helu mionowego, a dziś przygotowuje modernizację wiązek mionowych HIMB, która ma zwiększyć dostępną liczbę mionów nawet stukrotnie. O tym, czy pozostałe drobne napięcia to błędy, czy ślad nowej fizyki, rozstrzygną pomiary, a nie upodobania. Czym różnią się dwie inne wielkie maszyny PSI, źródła promieni rentgenowskich, wyjaśnia artykuł Synchrotron czy laser rentgenowski?