دانشمندان از حل معمای اندازه پروتون خبر دادند

MacTavish · 19/10/19

بیگ بنگ: بر اساس نتایج یکی از آزمایش‌های حساس فیزیک که ۸ سال به طول انجامید، احتمالا بزرگی پروتون‌ها با تصورات قبلی ما فرق داشته باشد. به گفته دانشمندان اندازه‌گیری‌های اولیه از اندازۀ پروتون تا ۵ درصد تفاوت را نشان میدهد. این شاید تصحیح چندان قابل توجهی به نظر نیاید، اما برای فیزیکدانان معمای پروتون سال‌هاست که منتظر جواب قانع کننده‌ای است.

به گزارش بیگ بنگ، در واقع، از زمانیکه تلاش دانشمندان برای یافتن راه تازه‌ای به منظور اندازه‌گیری این ذره تردیدهایی را به همراه داشت و ثمره خاصی به بار نیاورد، این مسئله جامعۀ علمی را به چالش کشیده است. بر اساس آخرین شکلی که تیم محققان در کانادا تهیه کردند، شعاع پروتون تقریبا ۰٫۸۳۳ فمتومتر است. در حالیکه در آزمایش سال ۲۰۱۰، مقدار ۰٫۸۴۲ فمتومتر را برای شعاع پروتون محاسبه کرده بودند. رسیدن به این نتیجه کار آسانی نبود چرا که باید روش‌هایی از آزمایش‌های مختلف با یکدیگر ترکیب می‌شد تا نهایتا مشخص شود کدام یک صحیح است.

«اریک هسلز» فیزیکدان دانشگاه یورک گفت: «میزان دقت مورد نیاز برای تعیین ِ اندازه پروتون باعث شد این به دشوارترین اندازه‌گیری تبدیل شود که آزمایشگاه ما تاکنون انجام داده است.» برخلاف مدل‌های رایج ِ اتم در کتاب‌های درسی، پروتون‌ها ذرات گوی مانندِ کوچکی نیستند. در عوض، پروتون که فاقد سطح متمایزی است، بعنوان ابری در نظر گرفته شده که با آستانه‌ای در بار مثبت تعریف شده است. برای اینکه فاصله‌ای میان این مرز لحاظ شود، میتوان یکی از دو روش زیر را بکار برد. روش اول، شلیک ذرات باردار منفی به هسته اتم‌های هیدروژن و بررسی چگونگی کمانه کردن‌شان است. اگر الکترون‌های کافی شلیک شود، باید بتوانید الگویی را ردیابی کنید که بگوید بار مثبت پروتون کجا شروع به تحلیل می کند.

این روش در طول سالیان گذشته چندین‌بار انجام شده و آمارها معمولا دامنه ۰٫۸۸ فمتومتر را نشان میدهد. روش دوم پیچیدگی کمتری دارد و تغییرات موجود در سطح انرژی الکترون را به هنگام گردش آن به دور پروتون شناسایی می کند. از منظر فنی، اندازه‌گیری‌ها بر پایه ویژگی‌های عجیب و غریب مکانیک کوانتومی قرار دارد؛ یعنی ذرات همیشه جایگاه روشنی ندارند. یعنی الکترون‌ها گهگاهی در قلب مُرده یک پروتون حضور پیدا می کنند. اختلاف حالت انرژی الکترون برانگیخته وقتی به درون پروتون راه پیدا می کند، تقریبا ۷۰ سال پیش توسط دانشمند برنده جایزه نوبل «ویلیس لمب» مورد اندازه گیری قرار گرفت. این روش تا به امروز یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای براورد شعاع پروتون کاربرد دارد.

اکثر اندازه گیری هایی که بر پایه روشی موسوم «جابجایی لَمب» استوار هستند، کمابیش با همدیگر سازگاری دارند. در سال ۲۰۱۴، کمیته داده‌های علوم و فناوری بطور رسمی فاصله ۰٫۸۷۵ فمتومتر را پیشنهاد کرد. البته «اکثر اندازه‌گیری‌ها» به معنای تمامی آنها نیست. آزمایش سال ۲۰۱۰ اصلا به چنین رقمی دست پیدا نکرد. ذره‌ی دارای بار منفی در چرخش هیدروژن با جایگزینی الکترون با موآن، زمان بیشتری را برای غوطه‌ور شدن در درون پروتون صرف می کند و لذا دقت اندازه‌گیری شعاع آن افزایش می یابد. «جابجایی لَمب» برای این شکل عجیب از هیدروژن در آزمایش سال ۲۰۱۰ نشان داد که شعاع پروتون ۴ درصد کمتر از آمار رسمی است.

متاسفانه، حساسیت این روش آنقدر زیاد بود که نمیشد به سادگی از کنارش رد شد. از آن زمان به بعد، آزمایش‌های مکرر بعدی با استفاده از موآن به ارقام مشابهی رسیده است. هسلز و تیمش روش کلاسیک «جابجایی لَم» را یکبار دیگر با بازگشت به الکترون سنتی انجام دادند. محققان این‌بار از روش نسبتا تازه‌ای تحت عنوان FOSOF استفاده کردند. آنها به کمک این روش توانستند با دقتی مثال‌زدنی آزمایش را انجام دهند. در این روش، نیازی به استفاده از موآن نبود. نتیجۀ بدست آمده قدری کوچکتر از نتیجه آزمایش سال ۲۰۱۰ است. هسلز گفت: «پس از ۸ سال کار در این آزمایش، واقعا خوشحالیم که دقت اندازه‌گیری‌مان را افزایش داده‌ایم. با این اوصاف، گام بلندی برای اندازه‌گیری شعاع پروتون برداشته شده است.» این مقاله در مجله Science منتشر شده است.