Οι φυσικοί παραξενεύονται με το σχήμα του πρωτονίου

Από σελίδα του Πανεπιστημίου Washington, 7 Απριλίου 2003

Όταν ο Gerald Miller είδε πρώτος τα πειραματικά αποτελέσματα από τον επιταχυντή του Thomas Jefferson National Accelerator Facility, ήταν αρκετά σίγουρος ότι δεν θα μπορούσαν να είναι σωστά. Εάν ήταν, θα σήμαινε ότι μερικές μακροχρόνιες επικρατούσες έννοιες για το πρωτόνιο, την δομική μονάδα των πυρήνων, ήταν λάθος.

Αλλά σύντομα, τα συμπεράσματα αυτά αποδείχθηκαν σωστά, και οδήγησαν τους φυσικούς στο συμπέρασμα ότι τα πρωτόνια δεν είναι πάντα σφαιρικά σαν μια μπάλα αλλά μπορούν να έχουν οποιοδήποτε σχήμα.

"Μερικοί φυσικοί σκέφτηκαν ότι το πείραμα έγινε λανθασμένα", είπε ο Miller, ένας καθηγητής της φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον. "Ακόμη και εγώ αυτό σκεπτόμουν αρχικά. Και τότε θυμήθηκα ότι έμοιαζε με ένα σχήμα, σε ένα συμπέρασμα που είχαμε βγάλει το 1995 και που το νόμιζα τότε ότι ήταν λάθος".

Στην πραγματικότητα, μέχρι το 1996, αυτός και δύο συνάδελφοι του ήταν έτοιμοι να δημοσιεύσουν μια θεωρητική τους εργασία στην οποία υπολόγιζαν τις γωνίες στις οποίες αναπηδούσαν τα πρωτόνια μετά από συγκρούσεις με ηλεκτρόνια σε έναν πυρηνικό επιταχυντή. Οι μετρήσεις θα μπορούσαν να έλεγαν πολλά για τις εσωτερικές ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες των πρωτονίων, και ουσιαστικά ο καθένας μας ανέμεινε ότι τα δύο φαινόμενα να προκαλέσουν τα ίδια είδη συγκρούσεων. Όμως η εργασία του 1996 περιέγραφε συγκρούσεις που ήταν αρκετά διαφορετικές.

Ο Miller ήταν βέβαιος ότι αυτός και οι συνάδελφοί του είχαν κάνει κάπου λάθος, έως ότου είδε τα αποτελέσματα της πραγματικής πειραματικής εργασίας στον επιταχυντή του Jefferson, στο Βανκούβερ. Οι ερευνητές στο Jefferson τελικά δημοσίευσαν τα αρχικά αποτελέσματά τους το 2000 και ενημέρωσαν για τα συμπεράσματά τους πέρυσι.

Αυτό που ανακάλυψε ο Miller σε εκείνα τα αποτελέσματα είναι ότι πρωτόνιο μπορεί σε ηρεμία να  διαμορφωθεί σαν μια σφαίρα -μια αναμενόμενη μορφή και η μοναδική που περιγράφεται στα εγχειρίδια της φυσικής. Ή μπορεί να διαμορφωθεί σαν ένα φυστίκι, όπως μια σφαίρα του ράγκμπι.

Ήταν σε θέση να χρησιμοποιήσει το μοντέλο του για να προβλέψει τη συμπεριφορά των κουάρκ, και τότε ανακάλυψε ότι  διαφορετικές καταστάσεις των κουάρκ θα μπορούσαν να αλλάξουν τη μορφή του πρωτονίου. Το μοντέλο έδειξε ότι τα κουάρκ μεγάλης ορμής, εκείνα που κινούνται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός μέσα στο πρωτόνιο, παρήγαγαν τη μορφή ενός φυστικιού.

"Τα κουάρκ είναι όπως τους φυλακισμένους, που περπατούν γύρω από ένα κελί των φυλακών. Αυτά απλώς κινούνται πολύ γρήγορα, και όταν φτάσουν σε έναν τοίχωμα πρέπει να στριφογυρίσουν και μπορούμε να το δούμε αυτό, έμμεσα, και τότε το μετράμε", εξηγεί ο Miller.

Εάν τα κουάρκ κινούνται πιο αργά, οι προεξοχές της επιφάνειας της μορφής των φυστικιών γεμίζουν και το πρωτόνιο μοιάζει κάτι σαν μια σφαίρα του ράγκμπι, ή μια κυψέλη. Τα πιο αργά κουάρκ παράγουν τη σφαιρική μορφή, που οι φυσικοί γενικά ανέμειναν να δουν.  Στη μορφή του πρωτονίου που μοιάζει με φυστικίκι, τα κουάρκ περιστρέφονται στην ίδια κατεύθυνση με το πρωτόνιο.

Η ποικιλία των μορφών του πρωτονίου είναι σχεδόν απεριόριστη και εξαρτάται από την ταχύτητα των κουάρκ μέσα στο πρωτόνιο και σε ποια κατεύθυνση περιστρέφονται, λέει ο Miller, ο οποίος παρουσίασει τα συμπεράσματά του στις 5 Απριλίου 2003 κατά τη διάρκεια μιας διάσκεψης στην Αμερικανική Εταιρεία Φυσικής στη Φιλαδέλφεια.

Τα αποτελέσματα του επιταχυντή Jefferson, είπε, είναι ένα μικρό κομμάτι του γρίφου για τους φυσικούς που προσπαθούν να ενοποιήσουν τις τέσσερις δυνάμεις της φύσης: την ηλεκτρομαγνητική, την ισχυρή, την ασθενή και τη βαρυτική σε μια "θεωρία των όλων" με την οποία μπορούν να καταλάβουν τη μορφή και τη λειτουργία όλης της ύλης. Αυτό το συμπέρασμα, λέει ο Miller, θα επιτρέψει στους φυσικούς να κάνουν καλύτερες προβλέψεις ώστε άλλα πειράματα να μπορούν να φτάσουν ακόμα πιο κοντά σε μια ενοποιημένη θεωρία. Παρέχει σε ενδείξεις για το πώς να επινοήσει κάποιος αυτά τα πειράματα, της ενοποίησης.

Δεν είναι σαφές αμέσως εάν θα υπάρξουν πρακτικές επιπτώσεις από τα αποτελέσματα. Εντούτοις, αναφέρει την ιστορία του Michael Faraday, ο οποίος παρουσίασε τα ευρήματα του το 1830 πάνω στην ηλεκτρομαγνητική επαγωγή αλλά δεν μπορούσε να εξηγήσει την αξία των συμπερασμάτων του. Ακόμα και σήμερα, οι αρχές που ανέπτυξε είναι υπεύθυνες για την λειτουργία των ηλεκτρικών γεννητριών.

"Απλώς δεν ξέρουμε ποτέ που θα οδηγήσουν τα ευρήματα", τελειώνει ο Miller.