Μια σημαντική ανακάλυψη στη μέτρηση των δομικών στοιχείων της φύσης
Σε ένα πρόσφατο πείραμα που έγινε στο Ινστιτούτο Max Planck για την Κβαντική Οπτική, στη Γερμανία, ο φυσικός Alexey Grinin και οι συνεργάτες του έφτασαν ένα βήμα πιο κοντά στην επίλυση ενός από τους πιο σημαντικούς γρίφους που έχουν προκύψει στη σωματιδιακή φυσική την τελευταία δεκαετία. Το παζλ είναι το εξής:Συνήθως, όταν ξεκινάτε να μετράτε το μέγεθος κάποιου πράγματος, θα περιμένατε να λάβετε την ίδια απάντηση ανεξάρτητα από το τι χρησιμοποιείτε για να το μετρήσετε - ένα κουτί αναψυκτικού έχει τη διάμετρο που κάνει είτε το μετράτε με ταινία μέτρο ή δαγκάνες (υπό την προϋπόθεση βέβαια ότι έχουν βαθμονομηθεί σωστά). Κάτι πρέπει να πάει στραβά εάν οι προσπάθειές σας να μετρήσετε το μπορεί να αποδώσουν διαφορετικές απαντήσεις ανάλογα με τον εξοπλισμό, ωστόσο αυτό ακριβώς συνέβη σε πολλαπλές προσπάθειες μέτρησης της χωρικής έκτασης ενός πρωτονίου. Αυτό που δυνητικά διακυβεύεται είναι η κατανόησή μας για τα δομικά στοιχεία της πραγματικότητας:οι διαφορετικές μετρήσεις θα μπορούσαν να προαναγγέλλουν την ύπαρξη νέων δυνάμεων ή σωματιδίων.
Τι σημαίνει για ένα υποατομικό σωματίδιο να έχει μετρήσιμο «μέγεθος»; Μαθηματικά, τα θεμελιώδη σωματίδια εξιδανικεύονται ως σημειακά σωματίδια, που σημαίνει ότι, από όσο μπορούμε να πούμε, δεν έχουν καμία ουσιαστικά διακριτή χωρική έκταση ή υποδομή. Είναι αλήθεια ότι όλα τα θεμελιώδη σωματίδια συνδέονται με ένα πακέτο κβαντομηχανικών κυμάτων, το οποίο έχει μια χωρική έκταση που εξαρτάται από την ενέργεια του σωματιδίου. Ωστόσο, αυτά τα βασικά κομμάτια του Lego είναι οντότητες των οποίων τα κυματικά πακέτα μπορείτε, καταρχήν, να συσκευάσετε σε μια όσο μικρή περιοχή θα θέλατε πριν αρχίσει η ίδια η έννοια της γεωμετρίας του συνεχούς, στην κλίμακα Planck, να χάσει το νόημα. Τα θεμελιώδη σωματίδια οργανώνονται σε κάτι ανάλογο με έναν μίνι περιοδικό πίνακα—που αποτελείται από τα διάφορα σωματίδια που μεταφέρουν δυνάμεις, όπως φωτόνια και γκλουόνια (τα σωματίδια φορείς της ισχυρής πυρηνικής δύναμης), μαζί με τρεις γενιές κουάρκ και λεπτόνια και το Higgs που παράγει μάζα μποζόνιο—και μπορούν να στοιβάζονται μαζί σε διαφορετικούς συνδυασμούς για να σχηματίσουν έναν ζωολογικό κήπο με τα λεγόμενα σύνθετα σωματίδια.
Ίσως το πιο γνωστό και πανταχού παρόν από αυτά είναι το πρωτόνιο. Με τουλάχιστον ένα σε κάθε είδος στοιχείου, αποτελείται από δύο επάνω κουάρκ και ένα κάτω κουάρκ που χορεύουν το ένα γύρω από το άλλο σε μια σφιχτά συνδεδεμένη τροχιά που διατηρείται με ανταλλαγή γκλουονίων. Αυτή η διαδικασία ανταλλαγής είναι τόσο ενεργητική που το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του πρωτονίου (ή για εκείνο το θέμα, το μεγαλύτερο μέρος του υλικού που μας αποτελείται) προέρχεται από την ενέργεια που περιέχεται σε αυτά τα γλουόνια — συνέπεια, όπως μας πληροφόρησε ο Αϊνστάιν, του Ε είναι ίσο με mc .
Δεν είναι λοιπόν χωρίς νόημα να ρωτάμε ποιο είναι το «μέγεθος» του πρωτονίου. Η μελέτη από την ομάδα του Grinin υπογραμμίζει το γεγονός ότι ο ορισμός αυτής της έννοιας παραμένει μια μάλλον δύσκολη υπόθεση. Και, όπως θα δούμε, τα αποτελέσματά τους χρησιμεύουν για να οξύνουν το μυστήριο σχετικά με το γιατί άλλες μεθόδους μέτρησης που έχουν χρησιμοποιήσει οι ερευνητές στο παρελθόν διαφωνούν.
Ένας φυσικός μπορεί εύλογα να συμπεράνει το μέγεθος ενός πρωτονίου από την «ακτίνα φορτίου» - περίπου τη μέση χωρική έκταση των τροχιών του κουάρκ στο εσωτερικό. Αυτή η ποσότητα ανιχνεύεται με ελαφρώς διαφορετικούς τρόπους από τα ηλεκτρόνια και τα μιόνια (άλλο είδος θεμελιώδους σωματιδίου), όταν ανιχνεύετε τις τροχιακές τους διαμορφώσεις καθώς σχηματίζουν «δεσμευμένες καταστάσεις» με το πρωτόνιο—ατομικό υδρογόνο στην περίπτωση των ηλεκτρονίων, μυονικό υδρογόνο στην περίπτωση των μιονίων. Επειδή τα μιόνια είναι περίπου 200 φορές βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια, οι τροχιακές τους διαμορφώσεις χαμηλότερης ενέργειας είναι πολύ πιο σφιχτά συνδεδεμένες γύρω από το πρωτόνιο από τα ηλεκτρόνια στο ατομικό υδρογόνο. Κατά συνέπεια, οι διαφορές στις ενέργειες των διαφόρων τροχιακών στο μιονικό υδρογόνο είναι πολύ πιο ευαίσθητες στο μέγεθος του πρωτονίου, καθώς και πιο «υψηλού τόνου» από αυτό του κανονικού ατομικού υδρογόνου.
Με άλλα λόγια, παρόμοιο με το πώς το μάδημα μιας χορδής κιθάρας σε μια δεδομένη τάση παράγει μια πολύ υψηλότερη νότα αν την ανοίξαμε ή στο 1/200 του ανοιχτού μήκους της, οι τυπικές συχνότητες της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τις μεταβάσεις στο μιονικό υδρογόνο είναι περίπου 200 φορές υψηλότερο από αυτό στο ατομικό υδρογόνο. Αυτές οι συχνότητες σχετίζονται με κάτι που ονομάζεται σταθερά Rydberg - η τάση της χορδής της κιθάρας στην αναλογία - η οποία φαίνεται να είναι μια από τις δυνητικά πιο σημαντικές πηγές αβεβαιότητας ως προς το μέγεθος του πρωτονίου. Τα επίπεδα τροχιακής ενέργειας εξαρτώνται τόσο από αυτή τη σταθερά όσο και από την ακτίνα φορτίου του πρωτονίου.
Οι μετρήσεις μεγέθους πρωτονίων δεν διέφεραν για δεκαετίες. Διαφορετικές μέθοδοι -όπως η μέτρηση της ακτίνας παρατηρώντας την τροχιά των ηλεκτρονίων μέσα σε άτομα υδρογόνου ή με τη σκέδαση ενεργητικών ηλεκτρονίων από αδέσμευτα πρωτόνια- είχαν συγκλίνει σε μια τιμή 0,875 (δώστε ή πάρτε 0,006) femtometers. Αυτό είναι λίγο λιγότερο από ένα τρισεκατομμυριοστό του χιλιοστού. Αυτή η σύγκλιση διαταράχθηκε το 2010, όταν κυκλοφόρησε μια εφημερίδα με τίτλο «Το μέγεθος του πρωτονίου». Όπως ανέφεραν οι ερευνητές, οι μετρήσεις που αφορούσαν τροχιακές διαμορφώσεις σε μιονικό υδρογόνο επέστρεψαν τιμή 0,842, δίνουν ή παίρνουν 0,001 femtometers. Αυτό μπορεί να μην φαίνεται μεγάλη διαφορά, αλλά είναι οι συνοδευτικές γραμμές σφαλμάτων που έχουν σημασία. Οι μετρήσεις είναι, μεμονωμένα, τόσο ακριβείς που η διαφωνία τους είναι πάνω από επτά τυπικές αποκλίσεις—υπάρχει λιγότερες από μία στις περίπου τρισεκατομμύριο πιθανότητες ότι η απόκλιση θα μπορούσε να είναι μια στατιστική ατυχία.
Υπάρχουν μόνο δύο πιθανότητες για το ανώμαλο αποτέλεσμα, εάν ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα και οι βαθμονομήσεις τους ελεγχθούν μετά από προσεκτικό έλεγχο. Είτε κάποιος συνδυασμός φυσικών σταθερών, που υποθέτουν οι ερευνητές για να συμπεράνουν πειραματικά την ακτίνα φορτίου του πρωτονίου, δεν είναι γνωστός με την ακρίβεια όσο πιστεύαμε, είτε υπάρχει κάτι διαφορετικό στον τρόπο που αλληλεπιδρούν τα μιόνια με τα πρωτόνια, σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια, που αποδίδει τα σωματίδια η φυσική δεν είναι ολοκληρωμένη.
Η τελευταία πιθανότητα, εάν τεκμηριωθεί, θα προκαλούσε φυσικά μια αναταραχή ενθουσιασμού μεταξύ των θεωρητικών φυσικών τουλάχιστον, καθώς θα μπορούσε να υπονοήσει την ύπαρξη νέων δυνάμεων και σωματιδίων. Όχι μόνο θα αναμόρφωσε την κατανόησή μας για το σύμπαν, αλλά θα αντιπροσώπευε μια επιστροφή στις μέρες που οι φυσικοί ανακάλυψαν σωματίδια (όπως το ίδιο το μιόνιο) χρησιμοποιώντας εξοπλισμό που θα μπορούσε να χωρέσει σε μια παροιμιώδη επιφάνεια εργασίας.
Τα τελευταία χρόνια, διάφορες ομάδες προσπαθούν να φτάσουν στο βάθος της ύλης εξετάζοντας διαφορετικές τροχιακές μεταπτώσεις στο ατομικό υδρογόνο που είναι ευαίσθητες σε διαφορετικούς συνδυασμούς της σταθεράς Rydberg και της ακτίνας φορτίου. Μια μέτρηση του 2019 από μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο York στον Καναδά εξέτασε μια συγκεκριμένη τροχιακή μετάβαση που ήταν ανεξάρτητη από την τιμή αυτής της σταθεράς, βρίσκοντας μια τιμή 0,833 ± 0,010 femtometers, σύμφωνη με τη μικρότερη τιμή που λαμβάνεται στο μιονικό υδρογόνο.
Η ομάδα του Γκρίνιν προχώρησε ένα βήμα παραπέρα. Χρησιμοποίησαν μια τεχνική γνωστή ως φασματοσκοπία χτένα συχνότητας. Περιλαμβάνει παλμούς φωτός λέιζερ που είναι μια υπέρθεση ίσης απόστασης συχνοτήτων - ένας χάρακας στο χώρο συχνοτήτων αν θέλετε - που τους επέτρεψε να δουν δύο διαφορετικές τροχιακές μεταπτώσεις σε ατομικό υδρογόνο ευαίσθητες σε δύο διαφορετικούς συνδυασμούς μεγέθους πρωτονίου και σταθεράς Rydberg . Αυτό τους επέτρεψε να προσδιορίσουν και τα δύο με πρωτοφανή ακρίβεια. Η τεχνική μείωσε, μόνο σε περίπου ένα μέρος στα δέκα τρισεκατομμύρια, τις παρατηρητικές αβεβαιότητες στη συχνότητα του φωτός που εκπέμπουν αυτές οι μεταβάσεις - ένας εκπληκτικός βαθμός ακρίβειας από οποιοδήποτε πρότυπο.
Όχι μόνο η ομάδα του Γκρίνιν βρήκε μια τιμή για την ακτίνα φορτίου του πρωτονίου συνεπή με την τιμή που ελήφθη στο μιονικό υδρογόνο, αλλά συνήγαγε μια πολύ πιο ακριβή τιμή για τη σταθερά Rydberg. Αυτό αντιπροσώπευε ένα μέρος της διαφοράς που παρατηρήθηκε σε άλλες μετρήσεις στο ατομικό υδρογόνο (το οποίο προϋπέθετε λιγότερο ακριβή τιμή).
Φαίνεται λοιπόν ότι η πειραματική τιμή της ακτίνας φορτίου πρωτονίου που έλαβε η ομάδα του Grinin στο ατομικό υδρογόνο συγκλίνει στις μικρότερες τιμές για την ακτίνα φορτίου πρωτονίου που άλλοι ερευνητές έλαβαν αρχικά στο μιονικό υδρογόνο. Η μικρότερη τιμή έχει ήδη υιοθετηθεί ως η επίσημη τιμή στη λίστα CODATA του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας με συνιστώμενες φυσικές σταθερές — το επίσημο ημερολόγιο για πυρηνικούς και ατομικούς χημικούς και φυσικούς.
Αν και αυτή η σύγκλιση, βασισμένη στη συνεχή βελτίωση των πειραματικών τεχνικών, δεν έδωσε τη νέα φυσική που ίσως ήλπιζαν ορισμένοι, ακόμη και ο πιο απελπισμένος θεωρητικός φυσικός μπορεί να αναγνωρίσει την πειραματική τέχνη που φαίνεται να φέρνει το θέμα πιο κοντά στο τέλος. Αυτό που παραμένει άλυτο είναι ο λόγος για τον οποίο οι μετρήσεις, βασισμένες σε διαφορετικές φασματοσκοπικές μεθόδους στο ατομικό υδρογόνο, επιστρέφουν διαφορετικές τιμές για την ακτίνα φορτίου του πρωτονίου. Το μυστήριο, και μαζί με αυτό, η φθίνουσα ελπίδα των σωματιδιακών φυσικών, διαρκεί για την ώρα.
Αυτό ήταν αρκετό κίνητρο για μια ομάδα θεωρητικών φυσικών, με επικεφαλής τον Cliff Burgess στο Perimeter Institute, στον Καναδά, να καταγράψει συστηματικά όλες τις πιθανές πηγές θεωρητικής αβεβαιότητας στην ατομική φασματοσκοπία σε μια σειρά εργασιών. Απομονώνοντας τους τρόπους με τους οποίους νέες δυνάμεις και σωματίδια θα μπορούσαν να αφήσουν μια ενδεικτική υπογραφή, έριξαν σταθερά το γάντι πίσω στους πειραματιστές. Τα μελλοντικά πειράματα, όπως πάντα, θα είναι ο απόλυτος διαιτητής σε αυτό το θέμα.
Ο Subodh Patil είναι επίκουρος καθηγητής στο Ινστιτούτο Lorentz για Θεωρητική Φυσική στο Πανεπιστήμιο του Leiden. Κάνει tweet κατά καιρούς στο @_subodhpatil.
