قدمت تجربتان لقياس نصف قطر البروتون قيمتين مختلفتين تمامًا. ما الذي يحدث هنا؟
إن الافتراض بأننا نفهم البروتون هو خطأ يغتفر. ففي نهاية المطاف، البروتون هو المكون الرئيسي للمادة في الكون المرئي، وهو الوقود الذي يغذي الأفران في قلوب النجوم. كانت الدراسات التي دامت قرنًا من الزمن عن البروتون، وهو الجسيم الموجب الشحنة الذي يرتبط بالإلكترون المقابل المشحون سالبًا لتكوين ذرة الهيدروجين، بمثابة الطلقات الافتتاحية لثورة ميكانيكا الكم. اليوم، يقوم الباحثون بتسريع البروتونات إلى طاقات عالية وتوليد طوفان من الاصطدامات بينها لاستحضار ظواهر جسيمية غريبة مثل بوزون هيغز.
ومع ذلك، فاجأتنا الدراسات الحديثة حول البروتون. لقد قمنا نحن الاثنان (بيرناور وبوهل)، بالتعاون مع زملائنا، بإجراء القياسات الأكثر دقة لنصف قطر البروتون حتى الآن بمساعدة تجربتين متكاملتين تناولتا المشكلة من منظورين متكاملين. عندما بدأنا هذا التمرين، تخيلنا أن نتائجنا ستساعد في إضافة مستويات من الدقة إلى الحجم المعروف للبروتون. نحن كنا مخطئين. هناك فجوة كبيرة بين نتائج القياسين اللذين أجريناهما لنصف قطر البروتون: أكثر من خمسة أضعاف معدل نطاق الخطأ في كل من القياسات. احتمال أن كل هذا حدث بالصدفة هو أقل من واحد في المليون.
من الواضح أن هناك شيئًا غير صحيح. إما أننا لا نفهم البروتون بشكل صحيح، أو أننا لا نفهم الفيزياء الكامنة وراء القياسات الدقيقة. لقد وصلنا إلى أعماق الكون واستخرجنا شيئًا غير عادي. ولذا لدينا فرصة رائعة لتعلم شيء جديد.
الإزاحة المفقودة
تبدأ قصتنا في جزيرة سان سيرفولو الإيطالية، على بعد عشر دقائق بالقارب السريع من ساحة القديس مرقس في البندقية. حتى نهاية السبعينيات من القرن العشرين، كان هناك مستشفى للأمراض العقلية في الجزيرة. بعد ثلاثين عامًا من إغلاق المستشفى، بدأ عشرات من الفيزيائيين في عقد مؤتمرات على الجزيرة لمناقشة المزيد والمزيد من الطرق الصارمة لدراسة النظرية الأكثر فهمًا في عالم الفيزياء بأكمله، وربما حتى في كل العلوم: الديناميكا الكهربائية الكمية، والمعروفة باختصار كما QED.
تم زرع جذور QED في مكان ما في عام 1928، عندما قام الفيزيائي P. A. M. Dirac بدمج ميكانيكا الكم والنسبية الخاصة وخلق منهم ما يعرف اليوم باسم معادلة ديراك. إنها أفضل نظرية لدينا فيما يتعلق بالكهرباء والمغناطيسية لأنها تقدم تفسيرًا كاملاً للطريقة التي يتفاعل بها الضوء والمادة مع بعضهما البعض. على سبيل المثال، يشرح QED بنية الذرات باستخدام قوانين الفيزياء وقيم الثوابت الأساسية مثل كتلة الإلكترون. ولهذا السبب يستخدم الفيزيائيون ذرات بسيطة مثل الهيدروجين لاختبار QED. يمكنهم التنبؤ بنتائج التجارب بهامش خطأ قدره 0.0000000001%. وتتوافق التجارب مع هذا المستوى من الدقة.
التقينا ببعضنا البعض للمرة الأولى في سان سيرفيلو. بدأ كلانا في إجراء قياسات للبروتون لتحسين معرفتنا بالكهرباء الكمية. تم تصميم تجربة بيرناور لدراسة البنية الداخلية للبروتون باستخدام نسخة محسنة من الطريقة التي أسفرت عن القياسات الأكثر دقة حتى ذلك الوقت.
اعتمدت مجموعة بوهل على نهج جديد. لقد درست التحولات بعيدة المنال في مستويات الطاقة لنوع غريب من الهيدروجين غير الإلكتروني، وهي التحولات التي يكون لحجم البروتون تأثير حاسم عليها. تم التعرف على هذه التحولات لأول مرة في الهيدروجين العادي من قبل الفيزيائي الراحل ويليس لامب جونيور في وقت مبكر من عام 1947. وعلى الرغم من أن الفيزيائيين يطلقون على هذه الظاهرة اسمًا واحدًا، وهو "hist lamb"، إلا أنهم أدركوا أن سببين مختلفين يلعبان دورًا في خلقها.
تأتي المساهمة الأولى في هيست لامب من جسيمات تُعرف بالجسيمات الافتراضية، وهي أشباح تنبثق داخل الذرة وتختفي بسرعة مرة أخرى. يمكن للعلماء استخدام QED لحساب بدقة ملحوظة كيفية تأثير هذه الجسيمات الافتراضية على مستويات الطاقة الذرية. ولكن في السنوات الأخيرة كان هناك عدم يقين بشأن السبب الثاني لتحول لامب، والذي يحد من قدرات العلماء التنبؤية. أما السبب الثاني فيتعلق بنصف قطر البروتون والطبيعة الكمومية الغريبة للإلكترون.
في ميكانيكا الكم، يأخذ الإلكترون شكل دالة موجية شبيهة بالسحابة تنتشر على كامل حجم الذرة. تصف الدالة الموجية (أو بشكل أكثر دقة، الدالة الموجية المربعة) احتمالية العثور على الإلكترون في مكان معين، ويمكن أن تظهر فقط في أشكال منفصلة معينة، والتي نسميها الحالات الذرية.
تأخذ الدالة الموجية لبعض الحالات الذرية، والمعروفة لأسباب تاريخية باسم "حالات S"، قيمة قصوى في نواة الذرة. هذا هو احتمال العثور على الإلكترون בתוך البروتون نفسه ليس صفرًا، ويزداد مع نصف قطر البروتون. عندما يكون الإلكترون داخل البروتون، فإنه لا "يشعر" بالشحنة الكهربائية للبروتون بنفس القدر، وهذا يقلل من قوة الارتباط الإجمالية بين البروتون والإلكترون.
يؤدي هذا التخفيض في قوة الربط إلى تغيير تحول لامدا في أقل حالة طاقة، والتي تسمى "حالة 1S"، بنسبة 0.02%. قد يبدو حجم التحول ضئيلًا، لكن فرق الطاقة بين الحالة الأرضية، 1S، والحالة المثارة الأولى، المسماة 2S، يُقاس بدقة مذهلة تبلغ 14 رقمًا بعد النقطة. لذلك، حتى التأثير الصغير لنصف قطر البروتون يجب أن يؤخذ بعين الاعتبار إذا أردنا مقارنة نظرية QED مع القياسات التجريبية الدقيقة.
تحاول مجموعة بوهل منذ ثماني سنوات تحديد حجم البروتون بدقة. لكن في أيام المؤتمر الأول في سان سيرفيلو، بدا أن تجربتها تعاني من خلل، ولم يتمكن أحد من معرفة الخطأ الذي حدث.
في هذه الأثناء، كان على فريق بيرناور أن يبدأ بحثًا إضافيًا حول نصف قطر البروتون. لم يكن نهجه يعتمد على مستويات طاقة الهيدروجين، بل استخدم تشتت الإلكترون من هدف الهيدروجين لاستنتاج الحجم الدقيق للبروتونات.
إطلاق النار نحو الأهداف
غاز الهيدروجين هو في الأساس سرب من البروتونات. إذا أطلقت عليه شعاعًا من الإلكترونات سالبة الشحنة، فسوف ينحرف بعضها بواسطة بروتون موجب الشحنة و"ينثر" بعيدًا عن الاتجاه الأصلي للشعاع. علاوة على ذلك، يعتمد هذا التشتت إلى حد كبير على البنية الداخلية للبروتون. (البروتونات، على عكس الإلكترونات، مصنوعة من عناصر أكثر أولية.)
دعونا نلقي نظرة فاحصة على التفاعلات بين البروتون والإلكترون في مثل هذا التشتت. عندما ينتشر الإلكترون، فإنه ينقل جزءًا من زخمه إلى البروتون. في QED، يصف الفيزيائيون هذا التفاعل بأنه تبادل فوتون افتراضي بين الإلكترون والبروتون. إذا تبعثر الإلكترون كمية صغيرة فقط، وتم صده قليلاً، فإنه ينقل فقط جزءًا صغيرًا من زخمه إلى البروتون. وإذا تبعثر بمعدل قريب من 180 درجة، فإننا نصفه بأنه تصادم مباشر بين الإلكترون والبروتون، ثم قام بنقل كمية لا بأس بها من الزخم إلى البروتون. في QED، يعني الزخم العالي أن الفوتون الافتراضي له طول موجي أصغر.
كما هو الحال في المجهر الضوئي، إذا كنا مهتمين برؤية أصغر الهياكل، فإننا نستخدم أقصر الموجات الممكنة. كان عمل برناور، من بين أمور أخرى، هو استخدام الموجات القصيرة لدراسة توزيع الشحنة داخل البروتون.
ومع ذلك، عندما ذهب برناور إلى مؤتمر في سان سيرفيلو، طلب منه العلماء الذين التقى بهم هناك توسيع تجربته. الموجات القصيرة مناسبة بالفعل لمراقبة الهياكل الموجودة داخل البروتون، ولكن إذا كنت مهتمًا بفحص البروتون ككل، فيجب عليك استخدام موجات أطول. في الواقع، إذا كنت مهتمًا بقياس البروتون ككل (ونصف قطره على أي حال)، فيجب عليك استخدام طول موجي لا نهائي، والذي يسمح للفوتون "برؤية" البروتون بأكمله. هذا هو الحد الذي لا يحدث فيه أي تشتت.
من الناحية الفنية، هذا بالطبع مستحيل، يجب أن تنحرف الإلكترونات على الأقل بمقدار صغير حتى يكون القياس ممكنًا. لذلك، قامت مجموعة بيرناور بقياس أقل انتقال للزخم مسموح به من خلال الإعداد التجريبي، ثم قامت باستقراء النتائج إلى الصفر.
نجحت جهوده في تقليص الفجوة بين أقل نقل للزخم تم قياسه حتى ذلك الوقت إلى النصف تقريبًا، وبالتالي كان الاستخراج أكثر موثوقية من الاستخراج في التجارب السابقة. وفي النهاية، كان عدد القياسات التي أجريت في التجربة حوالي ضعف عدد جميع القياسات السابقة مجتمعة. وبعد إجراء التجربة في عامي 2006 و2007، استغرق برناور ثلاث سنوات لتحليل جميع البيانات. العمل الذي أكسبه درجة الدكتوراه. ووجد أن نصف قطر البروتون يبلغ 0.879 فيمتومتر (10-15 متر) تقريبًا، أي حوالي عشرة مليارات من حجم قطرة الضباب، وهو الحجم الذي طابق القياسات السابقة بدقة متناهية.
هيدروجين غريب
وفي هذه الأثناء، واصل بوهل وأعضاء فريقه النضال. في تجربتهم، استبدلوا الإلكترون الموجود في ذرة الهيدروجين العادية بابن عمها الأثقل - الميون. تكاد تكون الميونات متطابقة تمامًا مع الإلكترونات، والفرق الوحيد بينهما هو أن كتلة الميون أكبر بحوالي 200 مرة من كتلة الإلكترون، وهذا الاختلاف يجعل الميون الموجود في الهيدروجين الميوني أقرب بحوالي 200 مرة من البروتون من الإلكترون الموجود في ذرة الهيدروجين العادية .
إذا كان الميون أقرب 200 مرة إلى البروتون، فيجب أن يقضي وقتًا أطول بكثير בתוך البروتون. (وقد زاد احتمال ذلك 200 مرة3 أو 8 مليون مرة). وبالتالي فإن انزياح لامدا في مثل هذه الذرة يختلف بنسبة 2%، وهو معدل ضخم نسبيًا، والذي يجب أن يكون من السهل التعرف عليه.
أطلق أعضاء فريق بوهل الأيونات المنتجة في مسرع في معهد بول شيرير (PSI) في سويسرا إلى خزان مملوء بغاز الهيدروجين. في بعض الأحيان، يقوم الميون بتبادل الإلكترون مع الذرة، مما يؤدي إلى كسر جزيء الهيدروجين وإنشاء ذرة هيدروجين الميون في حالة شديدة الإثارة. وفي غضون بضعة نانو ثانية، سينخفض الهيدروجين المتأين إلى مستويات طاقة أقل. في هذه التجربة، تم استخدام ذرات الهيدروجين فقط التي وصلت في النهاية إلى أول حالة طاقة مثارة (حالة 2S).
في كل مرة يدخل فيها الميون إلى خزان الهيدروجين، يرسل إشارة تعمل على تنشيط نظام الليزر، والذي يطلق بعد ذلك نبضة ليزر بعد حوالي ميكروثانية. إذا كانت كمية طاقة الليزر، التي يمكن قياسها بطول موجتها، هي الكمية الصحيحة تمامًا، فإنها ستقفز الذرة من حالة 2S إلى حالة الطاقة الأعلى 2P. الشكل المكاني لحالة 2P لا يسمح للميون بالتواجد داخل البروتون [انظر الإطار في الصفحة التالية]، لذلك إذا قمنا بقياس فرق الطاقة بين حالة 2S وحالة 2P، يمكننا استنتاج مقدار الوقت الذي يقضيه الميون ينفق داخل البروتون، وعلى أي حال، أيضا نصف قطر البروتون.
ولكن هنا كان حقل الألغام: كان علينا ضبط الليزر ليتناسب تمامًا مع الكمية المناسبة من الطاقة. لن تقفز الذرة إلى المستوى الأعلى إلا إذا كان هناك تطابق تام بين طاقة الليزر وفرق الطاقة بين الحالة 2S والحالة 2P. إذا تجاوز الطول الموجي قليلا، لا يحدث شيء. إذًا كيف يمكننا معرفة ما إذا كانت الذرات قد قامت بالقفزة؟ كل ذرة يتم رفعها إلى الحالة 2P تطلق في وقت قصير فوتونًا في نطاق الطاقة المنخفض للأشعة السينية. وإذا وجدنا مثل هذه الفوتونات، فإننا نعلم أن الليزر يتمتع بالطاقة المناسبة.
قد يبدو هذا بسيطًا على الورق، لكن هذه التجارب معروفة بالمصاعب التي تتراكم على المجربين. تم اقتراح تجارب مماثلة لأول مرة في الستينيات، عندما كان الديناميكا الكمية لا تزال نظرية جديدة نسبيًا، كاختبار لمعرفة مدى دقتها. لكن إجراء التجربة كان أكثر صعوبة من التجارب التكميلية على ذرات الهيدروجين والإلكترونات الأخرى، لذا تضاءل الاهتمام بها حتى تسعينيات القرن العشرين، عندما أصبحت هذه الاختبارات محدودة بسبب عدم اليقين بشأن نصف قطر البروتون.
اقترحت مجموعة بوهل قياس تحول لامب للهيدروجين المتأين إلى مديري PSI في عام 1997. وافق المعهد على المشروع في أوائل عام 1999، وأمضينا ثلاث سنوات في بناء نظام ليزر، وحزمة من الميونات منخفضة الطاقة، وكاشفات للأشعة السينية منخفضة الطاقة.
في نهاية بناء الإعداد التجريبي في PSI عام 2002، كان علينا التعامل مع بعض المشكلات الفنية. بعد أن تمكنا من تسويتها، لم يتبق لدينا سوى بضع ساعات لإطلاق أشعة الليزر على الهيدروجين المتأين قبل نفاد الوقت المخصص لنا لاستخدام المسرع. شعر البعض منا بخيبة أمل كبيرة لأننا اعتقدنا حقًا أننا سنكون قادرين على العثور على التحول 2S-2P في "طلقة واحدة". لكن كبار الفيزيائيين كانوا أكثر واقعية بشأن آفاق الجولة الأولى من "تطوير الآلة". لقد كانوا سعداء لأن كل شيء يعمل بشكل صحيح ولم تظهر سوى بعض المشكلات الفنية البسيطة. لقد اعتقدوا أنه سيكون من الممكن حل هذه المشكلات قبل بدء "السباق الحقيقي" الذي كان من المقرر أن يحدث في عام 2003 والذي اعتقدنا أننا سنرى فيه بالتأكيد علامة Hist Lamb.
وبعد أشهر عديدة من الإعداد وثلاثة أسابيع من جمع البيانات بنجاح، لم نكتشف شيئًا. ولا حتى فرق حرف واحد. على الرغم من أن الليزر قام بمسح كامل نطاق الأطوال الموجية التي تطابق القيم التجريبية المعروفة لنصف قطر البروتون. لا شئ.
لقد افترضنا ما هو واضح: من الواضح أن هناك شيئًا ما في إعدادنا التجريبي ليس صحيحًا. وكان الاستنتاج هو أنه كان علينا تحسين نظام الليزر. لقد بدأنا عملية إعادة تصميم واسعة النطاق، والتي اكتملت في أواخر عام 2006. وقمنا بجمع البيانات لمدة ثلاثة أسابيع أخرى في عام 2007، ومرة أخرى لم نر أي شيء. ولحسن الحظ، فقد أتيحت لنا فرصة أخيرة في النصف الثاني من عام 2009. وقد استغرق الأمر منا عدة أشهر لتجهيز المنشأة وتشغيلها. ومرة أخرى، بعد أسبوع من جمع البيانات الممتازة، لم نجد أي علامة على وجود إشارة.
لقد قمنا بالتسجيل لمدة أسبوع واحد فقط من الملاحظات. كنا نخشى أنه إذا فشلوا، فإن أحد الأشخاص في الإدارة سيقرر أن هذه المهمة كبيرة جدًا بالنسبة لنا. سيتم إعلان فشل التجربة المستمرة منذ عشر سنوات وسيتم إغلاقها نهائيًا.
وبعد ذلك بدأنا أخيرًا نتساءل عما إذا كان هناك شيء أعمق يحدث هنا. ماذا لو كنا نبحث عن نصف قطر البروتون في المكان الخطأ؟ قررنا توسيع نطاق البحث. قرر أعضاء المجموعة بشكل مشترك البحث عن نصف قطر بروتون أكبر. ولكن في إحدى الأمسيات، في وقت متأخر من الليل، دخل ألدو أنتونيني، زميل بوهل، إلى غرفة التحكم وقال إن لديه شعورًا بأن الأمر يستحق البحث عن بروتون. الأصغر. وفي ظل قيود الوقت الضاغط، أعاد بوهل وأنتوينيني توجيه البحث للبحث عن نصف قطر بروتون أصغر مما تخيله أي شخص. وفي وقت قصير جدًا اكتشفنا تلميحًا لإشارة. لكن في اليوم التالي، تم إغلاق دواسة البنزين لإجراء أعمال صيانة كانت مقررة مسبقًا واستغرقت أربعة أيام. كان علينا أن ننتظر.
ثم، في مساء يوم 4 يوليو 2009، بعد 12 عامًا من بدء العملية، ظهرت إشارة لا لبس فيها، تخبرنا أن البروتون المقاس بالهيدروجين الميوني كان أصغر بكثير مما كان يعتقده الجميع حتى ذلك الحين. أمضت المجموعة بضعة أسابيع أخرى في إجراء قياسات ومعايرات إضافية، وبضعة أشهر أخرى في تحليل البيانات. والنتيجة النهائية، والتي أكدناها منذ ذلك الحين بقياسات إضافية، هي شحنة بروتون يبلغ نصف قطرها 0.8409 فيمتومتر، ضمن نطاق خطأ قدره 0.0004 فيمتومتر. وهذا الرقم أدق بعشر مرات من جميع نتائج القياسات السابقة، لكنه يختلف عنها بنسبة 4% - وهو تناقض كبير!
وفي عام 2010، أعلنت المجموعتان عن نتائجهما في مؤتمر حول الفيزياء الدقيقة للذرات البسيطة، عُقد في قرية أوش في جبال الألب الفرنسية. قدم بوهل لأول مرة نتائج قياسات الهيدروجين الميوني للمجتمع العلمي. وفي نفس اليوم بعد الظهر تم تسليم البيانات من تجربة بيرناور. وتوقع بوهل وزملاؤه أن يدعم تحليل بيرناور النتيجة الجديدة الأصغر حجمًا. ولكن لدهشتهم كانت النتائج مطابقة تقريبًا لنصف القطر القديم: 0.877 فيمتومتر.
افكار جديدة
أثار هذا التناقض ضجة كبيرة في المجتمع. التناقضات مفيدة لأنها تحفز أفكارًا جديدة، مما يؤدي إلى أفكار جديدة وفهم أفضل للطبيعة.
في البداية، اعتقد معظم الناس أنه لا بد من وجود خطأ بسيط هنا. ربما حدث خطأ ما أثناء التجارب، وربما حدث خطأ في الحسابات النظرية اللازمة لاستخراج نصف القطر. بعد فترة وجيزة من انعقاد المؤتمر، جاء باحثون غير مرتبطين بالموضوع وأمطرونا بمرشحين محتملين للأخطاء المباشرة.
على سبيل المثال، قبل تجربة بوهل، قام ثلاثة أشخاص فقط بإجراء الحسابات المعقدة اللازمة لترجمة القياسات التجريبية لطول موجة الليزر إلى نصف قطر البروتون. وتكهن الكثيرون بوجود أخطاء أو سهو في هذه الحسابات. ولذلك كرر كثير من المنظرين الحسابات ووسعوا فيها، لكنهم لم يجدوا أي خطأ.
وقد حاول آخرون إعادة التفكير في كيفية استنتاج برناور لنصف القطر من بيانات التشتت الخاصة به. هل من الممكن أن نتمكن من التوفيق بين البيانات الأولية ونصف القطر الأصغر للهيدروجين الميوني؟ ويبدو أن هذا الحل تم رفضه أيضًا.
وفي كل مرة يتم رفض أي اقتراح، يصبح التناقض أكثر فأكثر. بعد أربع سنوات من ظهور لغز نصف قطر البروتون، استنفد الفيزيائيون التفسيرات المباشرة، مثل الأخطاء في القياس أو الحسابات. بدأنا نحلم بإمكانيات أكثر إثارة.
على سبيل المثال، هل نفهم حقًا كيف يستجيب البروتون لسحب الميون؟ تشوه القوة الكهروستاتيكية للميون شكل البروتون، على غرار الطريقة التي تخلق بها جاذبية القمر المد والجزر على سطح الأرض. يغير البروتون المنحني حالة 2S قليلاً في الهيدروجين المتأين. يعتقد معظم الناس أننا نفهم هذه الظاهرة، لكن البروتون نظام معقد لدرجة أننا ربما فاتنا شيئًا ما.
والاحتمال الأكثر إثارة هو أن هذه القياسات قد تشير إلى فيزياء جديدة تتجاوز ما يسمى بالنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. من الممكن أن الكون يحتوي على جسيم غير مكتشف يسبب بطريقة ما سلوك الميونات بشكل مختلف عن الإلكترونات. ويحقق العلماء في هذا الاحتمال، لكنهم وجدوا أنه ليس من السهل بناء نموذج لجسيم جديد دون أن يكون له أيضًا تأثيرات ملحوظة تتعارض مع نتائج التجارب الأخرى.
لدى الفيزيائيين لغز ميون آخر لم يتم حله. تمتلك الجسيمات الأولية مثل الميونات والإلكترونات "لحظة مغناطيسية"، وهو مجال مغناطيسي يشبه إلى حد كبير المغناطيس العادي. إن العزم المغناطيسي للميون لا يتطابق مع حسابات QED، وهذا أمر واضح. من الممكن أن تفسر ظاهرة فيزيائية جديدة قياسات نصف قطر البروتون والعزم المغناطيسي غير المعتاد للميون.
وقد تم اقتراح العديد من التجارب الجديدة لحسم كل هذه الفرضيات بشكل نهائي. ومن المتوقع أن تؤدي تجربتان للتشتت على الأقل إلى تحسين دقة تجارب التشتت السابقة، إحداهما في مرفق توماس جيفرسون الوطني للمسرع في نيوبورت نيوز، فيرجينيا، والأخرى في ماينز ميكروترون، في جامعة يوهانس جوتنبرج في ماينز، ألمانيا. الجامعة حيث أجرى بيرناور تجربته الأصلية. ستوفر هذه القياسات تأكيدًا مستقلاً وتختبر بعض التفسيرات المقترحة.
يريد فريق بوهل وفريق ماينز قياس نصف قطر الديوتيريوم، وهو نواة تحتوي على بروتون واحد ونيوترون واحد، لمعرفة ما إذا كان الفرق سيظهر هناك أيضًا. ويحاول بوهل أيضًا قياس الهيدروجين الإلكتروني العادي بدقة أكبر.
بالإضافة إلى ذلك، أشار العديد من علماء الفيزياء إلى أن الباحثين أجروا قياسات ذرية باستخدام كل من الميونات والإلكترونات، لكنهم أجروا تجارب التشتت مع الإلكترونات فقط. الفتحة المفقودة هي مزيج من الميونات والتشتت. بيرناور متورط في مشروع من شأنه أن يملأ هذا الفراغ. باستخدام أحد حزم الميونات في PSI، المعهد الذي أجرت فيه مجموعة بوهل تجربتها، سيتم تشتيت كل من الإلكترونات والميونات من البروتونات في تجربة تسمى تجربة تشتت الميون والبروتون (MUSE) لإجراء مقارنة مباشرة. يمكن لهذه التجربة اختبار بعض التفسيرات الأكثر قابلية للتطبيق والتي تم اقتراحها.
سيحدد الوقت ما إذا كان لغز نصف القطر سيتم تذكره كخطأ غريب أو كبوابة أدت إلى فهم أعمق للكون. قد يكون هذا اللغز هو الخيط الذي يجب أن نسحبه لكشف الفصل التالي في كتاب الطبيعة. وبالتالي سوف نسحبه.
______________________________________________________________________________
باختصار
وجدت تجربة جديدة لقياس نصف قطر البروتون أنه أصغر بكثير من المتوقع.
يثير هذا الاختلاف احتمال أن الفيزيائيين لا يفهمون شيئًا مهمًا عن البروتون نفسه أو عن النظرية التي تسمى الديناميكا الكهربائية الكمومية، وهي النظرية العلمية الأكثر فهمًا حتى الآن والتي تم إخضاعها لأكثر الاختبارات صرامة.
مع القليل من الحظ، يمكن أن يؤدي هذا الشذوذ إلى إعادة كتابة شاملة لقوانين الفيزياء.
عن المؤلفين
جان ك. بيرناور (بيرناور) هو طالب ما بعد الدكتوراه في الفيزياء النووية في مختبر العلوم النووية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT).
يدرس راندولف بوهل التحليل الطيفي بالليزر للذرات الغريبة الشبيهة بالهيدروجين والهيدروجين في معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية في جيرشينج بألمانيا.
المزيد عن هذا الموضوع
حجم البروتون. راندولف بوهل وآخرون. في الطبيعة، المجلد. 466، الصفحات 213-216؛ 8 يوليو 2010.
تحديد عالي الدقة لعوامل الشكل الكهربائية والمغناطيسية للبروتون. جي سي بيرناور وآخرون. في استعراض للحروف البدنية، المجلد. 105، لا. 24، المادة رقم. 242001; 10 ديسمبر 2010.
الهيدروجين الميوني ولغز نصف قطر البروتون. راندولف بوهل وآخرون. في المراجعة السنوية للعلوم النووية والجسيمات، المجلد. 63، الصفحات 175-204؛ أكتوبر 2013.
תגובה אחת
لم أفهم لماذا توقعوا أن يكون حجم الهيدروجين المتأين هو نفس حجم الهيدروجين العادي.
الميون أقرب إلى الذرة والتوزيع الكامل للمجال الكهربائي مختلف. ومن المؤكد أن هذا يؤثر على توزيع مواقع الكواركات في النواة.