تجدید نظر در شعاع پروتون

به تازگی آزمایشی را مجدداً انجام داده‌اند٬ که در آن به کمک میون به جای الکترون٬ شعاع پروتون را اندازه‌گیری کردند و مقدار آن را کمتر از مقداری که پیشتر برای آن در نظر می‌گرفتند به‌دست آوردند. کاهش اندازه پروتون در آزمایش‌هایی که بر مبنای اتم هیدروژن و میون است می‌تواند احتمالی برای وجود یک فیزیک جدید باشد.

تنها در فیزیک، چند کوادریلیون از یک متر (نام دیگری برای مبنای فمتو متر یا 10-15 متر) عاملی برای هیجان و دلواپسی است. طبق یافته‌ی اندازه‌گیری جدید٬ پروتون حدود 4 درصد کوچک‌تر از چیزی است که آزمایش‌های پیشین پیشنهاد می‌دهند. مطالعه چاپ شده در 25 ژانویه در یکی از شماره‌های مجله Science، فیزیکدانان را به طور محتاطانه خوش‌بین کرده است که این اختلاف بین آزمایش‌ها منجر به کشف ذرات و نیرو‌های جدید می‌شود.

کارل کارلسون (Carl Carlson)٬ فیزیک‌دان نظری در کالج ویلیام و مری در ویلیامزبرگ٬ وا٬ می‌گوید: «سیخونک در اثر‌های کوچکی که نمی‌توان آن‌ها را توضیح داد می‌تواند به عنوان راهی برای گره‌گشایی از بخش‌های بزرگتر فیزیک باشد». او که در این مطالعه حضور ندارد اضافه می‌کند که: «این مورد خاص بسیار قابل توجه است».

برای سال‌ها فیزیک‌دانان از دو روش غیر مستقیم برای اندازه‌گیری شعاع پروتون استفاده می‌کردند. (متاسفانه چیزی مشابه یک خط‌کش زیر اتمی برای اندازه‌گیری شعاع وجود ندارد). آن‌ها می‌توانند یک پرتوی الکترونی را به سمت پروتون‌ها شلیک کنند و مقدار انحراف ذرات فرودی را اندازه گیری کنند. برای روش جایگزین، فیزیک‌دانان می‌توانند رفتار الکترون‌ها را در اتم هیدروژن مطالعه کنند. آن‌ها لیزر را به اتم می‌تابانند و این باعث می‌شود الکترون به تراز انرژی بالاتر که ناپایدار است برود، زمانی‌که الکترون به حالت انرژی پایین‌تر برمی‌گردد٬ پرتوی ایکس ساطع می‌کند که فرکانس آن به اندازه پروتون وابسته است. هر دو روش پیشنهاد می‌دهند که شعاع پروتون حدود 0.88 فمتومتر یا 0.88 کوادریلینیوم متر است.

هیچ شکی در آن اندازه‌گیری‌ها تا سال 2010 وجود نداشت، در آن سال آلدو آنتوگنینی (Aldo Antognini) در ETH زوریخ و تیمش روشی جدید را برای اندازه‌گیری اندازه پروتون بکار بردند: آن‌ها همچنان از اتم هیدروژن استفاده کردند، اما به جای الکترون از میون استفاده کردند. میون‌ها ذراتی شبیه الکترون‌اند با این تفاوت که 200 برابر سنگین ترند. این سنگینی اضافه‌ی میون٬ برهمکنش آن‌ها را با پروتون افزایش می‌دهد و این باعث می‌شود که رفتار آن‌ها بیشتر به اندازه پروتون وابسته باشد. پس از اندازه‌گیری پرتوی ایکس ساطع شده از جابه‌جایی میون بین تراز‌های انرژی٬ تیم آنتوگنینی مقاله‌ای را در Nature چاپ کردند و در آن شعاع پروتون را 0.84 فمتومتر اعلام کردند، حدود 4 درصد کمتر از تخمین های قبلی(SN 7/31/10, p. 7).

اکنون، دو و نیم سال بعد، این تیم٬ سیستم با محتوای هیدروژن-میون را مجدداً بررسی کردند و فرکانس‌های پرتوی ایکس ناشی از جابه‌جایی دو سطح انرژی را اندازه‌گیری کردند. هر دو تابش به نتیجه‌ی مشابه برای اندازه پروتون رسیدند. در این نتیجه‌ها٬ پروتون کوچک‌تر است. در مطالعه‌ی جدید امکان خطاهای سیستماتیک مشخص را حذف کردند و عدم قطعیت اندازه گیری را نیز تا 40 درصد کاهش دادند.

آنتوگنینی می‌گوید: «این نشان می‌دهد که آزمایش ما سازگار است و اشتباهی در آن نبوده است».

کارلسون با این نظر موافق است. اگرچه او می‌گوید که فیزیک‌دانان هنوز ممکن است از یک خطا در هر دو آزمایش‌های میون و الکترون صرف نظر کنند. پژوهش‌گران بر حسب مورد٬ جزئیات هر آزمایش را به امید مقدار سازگار با اندازه پروتون جستجو می‌کنند.

هنوز کارلسون به عنوان یک نظریه پرداز نمی‌تواند کمکی کند اما از امکان این‌که یک فیزیک جدید٬ نه خطای انسانی٬ منجر به اختلاف در اندازه‌گیری اندازه در آزمایش‌ها شده است٬ حمایت می‌کند. طبق مدل استاندارد ذرات، الکترون و میون تنها در جرم متفاوت‌اند اما کارلسون و دیگر نظریه پردازان امکان وجود ذره کشف نشده که تنها با میون بر همکنش کند را پیش‌بینی می‌کنند. او می‌گوید که این ذره قطعاً چیزها را با یکدیگر مخلوط می‌کند.

پژوهش‌گران به شدت نیازمند کشف فیزیک جدیدند. این به این علت است که با وجود اینکه مدل استاندار بسیاری از چیزهایی که در زندگی روزمره می‌بینیم را توصیف می‌کند، در توصیف پدیده‌هایی مثل گرانش در مقیاس‌های کوچک و جهان در حال انبساط سریع ناامید کننده است.

بهترین محک برای ایده‌ی نظریه پردازان در دو تا سه سال آینده مشخص می‌شود، زمانی‌که هنوز فیزیک‌دانان امیدوارند روش مستقلی برای اندازه‌گیری اندازه‌ی پروتون معرفی کنند. جان آرینگتون (‌‌John Arrington)، فیزیک‌‌دان آزمایشگاه ملی آرگون در ایلینویز کمک می‌کند تا پرتوی میون را که به پروتون می‌تابد را ارتقاء دهد. اگر آزمایش مشابه به نتیجه‌ی یکسان برای نمونه‌ی میونی هیدروژن برسد، طبق گفته‌ی آرینگتون٬ به احتمال زیاد فیزیک جدیدی در کار است. این احتمال به گفته‌ی او بیشترین احتمال جالب توجه است.
[golrooz]