Tiskane izdaje
Skoraj vse vidno vesolje je zgrajeno iz atomov, ki pa niso osnovni gradniki snovi, saj so tudi sami sestavljeni iz majhnih, pozitivno nabitih jeder, obdanih z oblaki negativno nabitih elektronov. Najpreprostejši atom je vodik: njegovo jedro je ena sama kroglica, proton, okoli katere »kroži« en sam, točkast elektron. Poznavanje te skromne bratovščine je ključno za naše razumevanje mikroskopskega sveta, zato fiziki raziskovanju vodikovega jedra namenjamo precejšnjo pozornost.
Proton proučujemo že od samih začetkov fizike osnovnih delcev v prvih desetletjih prejšnjega stoletja in ugotavljanju njegovih lastnosti je bilo do danes namenjenih mnogo različnih meritev. Zgolj določitvi njegove velikosti je bilo posvečenih več kot dvajset študij. Dandanes o notranjem ustroju protona vemo veliko, a še vedno precej manj, kot bi si želeli. Izsledki zadnjih raziskav namreč kažejo, da kljub dolgoletnim prizadevanjem protona pravzaprav ne poznamo dovolj dobro, niti tako preproste količine, kot je njegova velikost.
Polmer protona običajno določamo v poskusih, pri katerih opazujemo prožne trke hitrih elektronov z vodikom, ki zaradi svoje preproste zgradbe ponuja neposreden vpogled v proton. Ob trku vpadni elektron mirujočemu protonu preda nekaj svoje energije in gibalne količine. Po trku se elektron odkloni od prvotne smeri in odleti proti magnetnim spektrometrom, s katerimi ga zaznamo. Odvisnost števila zaznanih elektronov od njihovega odklonskega kota vsebuje informacijo o prostorski porazdelitvi električnega naboja v protonu in nam tako posredno pove, kolikšna je njegova velikost.
Energijo in gibalno količino med elektronom in protonom prenese virtualni (navidezni) foton. Virtualni foton v poskusih z osnovnimi delci si lahko predstavljamo kot svetlobo, s katero pri običajni (optični) mikroskopiji presvetlimo vzorec, ki ga želimo opazovati pod mikroskopom, le da moramo za opazovanje zgradbe protona uporabiti bistveno manjše valovne dolžine. Manjša ko je valovna dolžina svetlobe (večja ko je njena energija oziroma gibalna količina), manjše podrobnosti lahko razločimo. Kadar raziskujemo podrobno zgradbo protona, torej želimo, da elektroni nanj prenesejo čim več svoje gibalne količine. Ko nas zanima delec kot celota, na primer pri meritvi njegovega polmera, pa mora biti prenesena gibalna količina karseda majhna.
Prvič leta 1963
Polmer protona je na podlagi podatkov iz podobnih jedrskih meritev prvi določil L. N. Hand leta 1963. Trenutno zadnjo in za zdaj najnatančnejšo jedrsko meritev pa smo leta 2010 opravili na Inštitutu za jedrsko fiziko Univerze Johannesa Gutenberga v Mainzu, kjer ob pospeševalniku MAMI v okviru kolaboracije A1 že vrsto let raziskovalno delava tudi avtorja tega članka. Ugotovili smo, da je polmer protona 0,879 fm (fm = femtometer = 0,000000000001 mm) z natančnostjo 0,008 fm.
Jedrski poskusi niso edina pot do podatkov o velikosti protona. Njegov polmer je mogoče določiti tudi s spektroskopskimi eksperimenti z meritvijo tako imenovanega Lambovega premika, komaj zaznavne spremembe v energijskem spektru atoma, ki nastane zaradi načina gibanja elektrona v bližini jedra. Elektron se okrog protona ne giblje po krožnici ali elipsi kot Luna okrog Zemlje, temveč zaradi svoje kvantnomehanske narave z različno verjetnostjo zapolni ves prostor. V nekaterih energijskih stanjih (stanja S) njegova pot včasih vodi celo skozi jedro ali v njegovo neposredno bližino, zato je del Lambovega premika odvisen od velikosti protona, kar izkoristimo pri meritvi.
Velikost Lambovega premika neposredno izmerimo z opazovanjem prehodov elektronov iz vzbujenega stanja 2S v stanje 2P. To storimo tako, da curek vodikovih atomov v stanju 2S vodimo v merilno napravo, kjer jih izpostavimo elektromagnetnemu valovanju. Če je valovna dolžina valovanja pravšnja in je prehod v stanje 2P uspešen, atom kmalu zatem preide v osnovno stanje 1S, zato na izhodu izmerimo primanjkljaj prvotnih atomov. Iz frekvence valovanja, pri kateri smo jih zaznali najmanj, lahko nato s teoretskimi izračuni dobimo še drugo vrednost za polmer protona, ki znaša 0,8796 fm (z negotovostjo 0,0056 fm) in se v okviru merskih negotovosti ujema z rezultatom jedrskih meritev.
Seveda si želimo, da bi velikost protona poznali še bolje, vendar je zaradi neizrazitosti elektronskega Lambovega premika z opisano metodo zelo težko doseči še večjo natančnost. Znanstveniki z Inštituta Paula Scherrerja (PSI) v Švici so zato ubrali drugo pot in leta 2010 izmerili Lambov premik v plinu mionskega vodika, kjer namesto elektronov okrog protonov krožijo delci, imenovani mioni. Mion je približno dvestokrat težji od elektrona in zato kroži bistveno bližje jedru kot elektron. To za skoraj stokrat okrepi Lambov premik in omogoči bistveno natančnejšo meritev velikosti protona. Polmer, ki so ga določili s tovrstno meritvijo, znaša 0,84087 fm (z negotovostjo 0,00039 fm) in se močno razlikuje od prejšnjih dveh vrednosti.
Razburjenje in novi poskusi
Opažena razlika med elektronskimi in mionskimi meritvami je v znanstveni skupnosti povzročila precejšnje razburjenje, saj je tolikšna, da jo je nemogoče prezreti, hkrati pa je doslej še nihče ni ustrezno pojasnil. Ponovna analiza meritev je namreč pokazala, da za neujemanje ni kriva eksperimentalna napaka, prav tako teoretičnim fizikom v okviru dosedanjih teorij ne uspe najti ustrezne razlage zanjo. Pojavile so se tudi zanimive hipoteze, ki segajo od idej o novih, še ne odkritih delcih, do drznih domnev o nepopolnosti kvantne elektrodinamike, ki velja za najbolj dovršeno fizikalno teorijo, ki jo je kadarkoli razvil človeški um. Če bi obveljal kateri od omenjenih novih scenarijev, bi to korenito spremenilo naš pogled na svet osnovnih delcev, zato se danes s problemom protonskega polmera ukvarjajo mnogi fiziki. Načrtujejo vrsto novih poskusov, v katerih bi ta problem osvetlili z različnih zornih kotov.
Med najobetavnejše sodi prav poskus, ki se mu trenutno posvečamo v laboratoriju MAMI in sodi v prvo skupino jedrskih meritev. Da bi izboljšali natančnost rezultata, moramo zaobiti omejitve merilnih naprav in še dodatno zmanjšati energijo fotonov, s katerimi osvetljujemo protone. To dosežemo tako, da namesto prožnih trkov elektronov s protoni opazujemo procese, pri katerih vpadni elektron tik pred trkom izseva še en foton. Ta elektronu odvzame del energije in tako omogoči, da najmanjši prenos gibalne količine med elektronom in protonom zmanjšamo za približno štiridesetkrat. Meritev poteka v okviru kolaboracije A1, kjer žarku vpadnih elektronov izpostavljamo celico tekočega vodika, ohlajeno na –251 stopinj Celzija, nastale sipance pa nato zaznavamo z visokoločljivimi magnetnimi spektrometri. Z zbranimi podatki bi radi v letošnjem letu, ko bo poskus predvidoma končan, prišli do nove natančne vrednosti za polmer protona.
Nov jedrski poskus načrtujemo tudi v laboratoriju Thomas Jefferson National Accelerator Facility v ZDA, kjer s podobnimi prijemi poskušamo doseči enako majhne prenose gibalnih količin kot v laboratoriju v Mainzu. Križemrok pa ne sedijo niti raziskovalci v PSI, ki prav tako že snujejo nove, še natančnejše spektroskopske meritve Lambovega premika, tako v navadnem, elektronskem, kot mionskem vodiku. Vsi ti poskusi v vodilnih svetovnih laboratorijih pričajo o pomembnosti problema »uganke protonskega polmera«. Njena rešitev bi pomenila velik korak na poti k popolnejšemu razumevanju zgradbe snovi.
dr. Miha Mihovilovič, Inštitut za jedrsko fiziko, Univerza Johannesa Gutenberga v Mainzu
izr. prof. dr. Simon Širca, Fakulteta za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani in Institut Jožef Stefan
