Το μέγεθος του φωτοστέφανου στο πρωτόνιο ανάβει έναν τρικούβερτο καυγά

Ένας δακτύλιος από θετικό φορτίο γύρω από το πρωτόνιο έχει γίνει το επίκεντρο ενός διαβολικού καυγά στην σωματιδιακή φυσική.

Μεγάλη διαμάχη έχει ξεσπάσει για την ακτίνα του πρωτονίου, σε μια νέα μέτρηση με έναν από τους πυλώνες της σωματιδιακής φυσικής.

Η διαφορά αφορά μια προσπάθεια να συμβιβαστεί μια πρόσφατη ένδειξη ότι η ακτίνα του πρωτονίου είναι μικρότερη από ό,τι πιστεύαμε έως τώρα, με τη θεωρία της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής (QED), η οποία έχει εξηγήσει επιτυχώς τα κβαντικά φαινόμενα από το 1940.

Η ακτίνα των πρωτονίων δεν μπορεί φυσικά να μετρηθεί άμεσα, αλλά πρέπει να συναχθεί από τη μέτρηση των ενεργειών διαφόρων ηλεκτρονικών «στιβάδων» ή «φλοιών» σε ένα άτομο υδρογόνου. Μέσω της QED, αυτές οι ενέργειες σε συνδυασμό με ένα μοντέλο του πώς κατανέμεται το φορτίο του πρωτονίου, μπορεί να μας δώσει την ακτίνα του πρωτονίου.

Η μικρότερη τιμή για την ακτίνα των πρωτονίων προήλθε από μετρήσεις μιας εξωτικής μορφής λεπτονίου, σαν το υδρογόνο, που περιέχει ένα βαρύ εξάδελφο του ηλεκτρονίου γνωστό ως μιόνιο. Αυτό αναμενόταν απλώς για να προσθέσει ακρίβεια στις προηγούμενες μετρήσεις που υπήρχαν με βάση το κοινό υδρογόνο. Ωστόσο, οι μετρήσεις με το μιόνιο πρότειναν μια ακτίνα των πρωτονίων που ήταν κατά 4% μικρότερη. Αυτή η διαφορά θα μπορούσε να σημαίνει ένα πρόβλημα είτε με τις μετρήσεις του μιονίου ή με την QED, κάτι που κανένα δεν φαίνεται ιδιαίτερα πιθανό.

Τώρα όμως ο Alvaro De Rújula του Αυτόνομου Πανεπιστημίου της Μαδρίτης, έχει μια άλλη λύση: την αλλαγή του μοντέλου μας για το πώς κατανέμεται το θετικό φορτίο του πρωτονίου.

Περίπου το 75% του φορτίου αυτού είναι συγκεντρωμένο σε έναν κεντρικό πυρήνα, η άκρη του οποίου θεωρείται ότι είναι η άκρη του ίδιου του πρωτονίου. Αν και τα άλλο τέταρτο του φορτίου του πρωτονίου βρίσκεται έξω από αυτό (βλέπε διάγραμμα), η κατανομή του φορτίου στο "φωτοστέφανο" εξακολουθεί να είναι το κλειδί για την ανακάλυψη της ακτίνας των πρωτονίων. Έτσι λοιπόν ο De Rújula αποφάσισε να διερευνήσει αν η μεταβολή της κατανομής του φορτίου στο φωτοστέφανο, θα μπορούσε να φέρει τους παλιούς και τους νέους υπολογισμούς για την ακτίνα του πρωτονίου σε συμφωνία – και να αφαιρέσει έτσι τη σύγκρουση με την QED.

Βρήκε λοιπόν ότι μπορεί να το κάνει, αν η ζώνη του φωτοστέφανου εκτείνεται 4,7 φορές από όσο νομίζαμε μέχρι σήμερα. Καταλήγει δε στο συμπέρασμα ότι αυτή είναι η αληθινή δομή του πρωτονίου.

Η πρόταση του όμως έχει συναντήσει σημαντικές αντιδράσεις, από τότε που ο De Rújula το δημοσίευσε για πρώτη φορά. Οι κορυφαίοι μεταξύ των σκεπτικιστών είναι ο Gerald Miller και ο Ian Cloët του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον στο Σιάτλ, οι οποίοι δημοσίευσαν την αντίρρηση τους μόλις δύο ημέρες αργότερα. “Η εξήγηση του De Rújula είναι απλά μακριά από την αλήθεια”, λέει ο Μίλερ. "Είναι σαν η ποσότητα του νερού σε μια δαχτυλήθρα να ήταν απλωμένη στον όγκο μιας πισίνας".

Αυτό είναι υπερβολή, αντιτίθεται ο De Rújula.

Ο Miller παραδέχεται ότι μια δακτυλήθρα και μισό λίτρο είναι μια πιο δίκαιη αναλογία. Ακόμα κι έτσι, αυτός και ο Cloët έχει υπολογίσει ότι ένα πρωτόνιο με ένα φορτίο που εκτείνεται τόσο όσο ο De Rújula προτείνει, δεν είναι συμβατό με τα πειράματα που εξετάζουν τον βαθμό στον οποίο τα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς τα πρωτόνια σε διαφορετικές αποστάσεις.

Ο De Rújula λέει ότι το θέμα θα μπορούσε να λυθεί με νέα πειράματα σύγκρουσης ηλεκτρονίων-πρωτονίων ή μια νέα ανάλυση των υπαρχόντων δεδομένων. Είναι πεπεισμένος ότι, κατά κάποιο τρόπο, η QED θα δικαιωθεί.

Διαβάστε και το σχετικό άρθρο

• Είναι το πρωτόνιο μικρότερο από όσο πιστεύαμε;