By Ερευνητές των πανεπιστημίων της Βόννης και του Ντάρμστατ αναδεικνύει τα σφάλματα των παλαιότερων μετρήσεων.
To πρωτόνιο (κόκκινο) έχει ακτίνα 0.84 femtometers (fm). Στην εικόνα φαίνονται τα τρία κουάρκ από τα οποία συνίστατα ένα πρωτόνιο και τα γλοιόνια που τα συνδέουν μεταξύ τους. © Figure: Dr. Yong-Hui Lin/University of Bonn
Πριν από μερικά χρόνια, μια νέα τεχνική μέτρησης έδειξε ότι τα πρωτόνια έχουν μικρότερο μέγεθος σε σχέση με τις εκτιμήσεις της δεκαετίας του 1990. Η ασυμφωνία εξέπληξε την επιστημονική κοινότητα. Μερικοί ερευνητές θεώρησαν ότι ακόμη και το Καθιερωμένο Πρότυπο της Φυσικής των Σωματιδίων θα έπρεπε να αλλάξει.
Οι φυσικοί των πανεπιστημίων της Βόννης και του Ντάρμσταντ ανέπτυξαν μια μέθοδο που τους επιτρέπει να αναλύουν τα αποτελέσματα παλαιότερων και πιο πρόσφατων πειραμάτων πολύ πιο ολοκληρωμένα σε σχέση με το παρελθόν. Το αποτέλεσμα της μεθόδου που εφαρμόστηκε στα παλαιότερα δεδομένα ήταν επίσης μια μικρότερη ακτίνα πρωτονίου. Επομένως, μάλλον δεν υπάρχει διαφορά μεταξύ των τιμών – ανεξάρτητα από την μέθοδο μέτρησης με την οποία προέκυψαν.
Η μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters με τίτλο ‘New Insights into the Nucleon’s Electromagnetic Structure‘. Σύμφωνα με την παραπάνω εργασία η ακτίνα του πρωτονίου (συνοδευόμενη με το τυχαίο και το συστηματικό σφάλμα) είναι:
Ωστόσο, πριν από λίγα χρόνια η ακτίνα θεωρούνταν ότι ήταν 0,88 femtometers – μια μικρή διαφορά που προκάλεσε μεγάλη αναταραχή στους ειδικούς. Όμως σύμφωνα με τον Ulf Meißner, έναν από τους συγγραφείς της παραπάνω εργασίας, η διαφορά μεταξύ των παλαιών και των νέων μετρούμενων τιμών δεν υφίσταται. Και τούτο διότι οι παλαιότερες μετρήσεις περιείχαν ένα συστηματικό σφάλμα που δεν είχε ληφθεί υπόψη.
Παίζοντας μπιλιάρδο με πρωτόνια
Ένας τρόπος προσδιορισμού της ακτίνας ενός πρωτονίου γίνεται με τον βομβαρδισμό πρωτονίων με μια δέσμη ηλεκτρονίων σε έναν επιταχυντή. Όταν ένα ηλεκτρόνιο συγκρούεται με το πρωτόνιο αλλάζουν την κατεύθυνση της κίνησής τους – όπως όταν συγκρούονται δύο μπάλες του μπιλιάρδου. Στη φυσική, αυτή η διαδικασία ονομάζεται ελαστική σκέδαση. Όσο μεγαλύτερη είναι η ακτίνα του πρωτονίου, τόσο πιο συχνά συμβαίνουν τέτοιες συγκρούσεις. Επομένως, μελετώντας την ελαστική σκέδαση ηλεκτρονίου – πρωτονίου θα μπορούσε να εκτιμηθεί το μέγεθος του πρωτονίου.
Αλλά αν η ταχύτητα της δέσμης ηλεκτρονίων γίνει μεγαλύτερη, τόσο πιο ακριβείς είναι γίνονται οι μετρήσεις. Όμως, αυτό αυξάνει την πιθανότητα το ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο να σχηματίσουν νέα σωματίδια όταν συγκρούονται και έτσι μειώνονται τα γεγονότα της ελαστικής σκέδασης. Για μετρήσεις της ακτίνας του πρωτονίου, μέχρι τώρα, έχουν χρησιμοποιηθεί μόνο δεδομένα στα οποία τα ηλεκτρόνια είχαν σχετικά χαμηλή ενέργεια.
Ωστόσο, οι συγκρούσεις που παράγουν άλλα σωματίδια παρέχουν επίσης σημαντικές πληροφορίες για το σχήμα του πρωτονίου. Το ίδιο ισχύει και για ένα άλλο φαινόμενο που εμφανίζεται σε υψηλές ταχύτητες των ηλεκτρονίων – η εξαύλωση ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Έχει αναπτυχθεί μια θεωρητική βάση σύμφωνα με την οποία τέτοια γεγονότα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν στον υπολογισμό της ακτίνας των πρωτονίων.
5% μικρότερο
Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, οι φυσικοί ανέλυσαν εκ νέου τις παλαιότερες μετρήσεις, καθώς και πολύ πρόσφατα πειράματα – συμπεριλαμβανομένων και εκείνων που είχαν υπολογίσει την ακτίνα του πρωτονίου ή 0,88 femtometers. Τελικά, με τη νέα μέθοδό τους, οι ερευνητές κατέληξαν στην τιμή 0,84 femtometers.
Έτσι, το πρωτόνιο φαίνεται στην πραγματικότητα να είναι περίπου 5% μικρότερο σε σχέση με το μέγεθος που θεωρούσαμε στις δεκαετίες του 1990 και του 2000. Ταυτόχρονα, η μέθοδος των ερευνητών αποκαλύπτει νέες πληροφορίες και για την δομή των πρωτονίων, αλλά και των ουδέτερων αδερφικών σωματιδίων τους, των νετρονίων. Επομένως, μας βοηθά να κατανοήσουμε λίγο καλύτερα την δομή του κόσμου μας.
Πηγή: uni-bonn.de
