نتایج یک آزمایش بسیار دقیق و حساس که تکمیل آن، هشت سال طول کشید، نشان داد پروتون‌ها احتمالا به اندازه‌ای که ما تصور می‌کردیم، بزرگ نیستند! اندازه گیری های قبلی اندازه‌ی پروتون، حدود ۵ درصد خطا داشت که شاید خطای بزرگی به نظر نرسد، اما نه برای فیزیکدانانی که سال‌هاست به دنبال حل معمای شعاع پروتون هستند. با دیپ لوک همراه باشید…
معمای شعاع پروتون، به این خاطر دانشمندان را آزار داده که امتحان راه جدیدی برای اندازه گیری این ذره، باعث شک در یافته‌های قبلی شده است. اکنون تازه‌ترین پژوهش انجام شده توسط محققان دانشگاه یورک کانادا، شعاع پروتون را حدود ۰.۸۳۳ فمتومتر تعیین کرده که اختلاف کمی با شعاع بدست آمده (حدود ۰.۸۴۲) در یک آزمایش مهم در سال ۲۰۱۰ دارد. این در حالی بود که آزمایشی در سال ۲۰۱۷ نیز نتیجه‌ی سال ۲۰۱۰ را تایید کرده بود، اما آزمایش دیگری در سال ۲۰۱۸، با اعداد قبل از آزمایش سال ۲۰۱۰ سازگاری داشت.
حل این معما، به هیچ عنوان کار راحتی نبود، چرا که لازم بود روش‌هایی از چند آزمایش ترکیب شوند. فیزیکدان دانشگاه یورک، اریک هسل و یکی از محققان این پژوهش که نتایج آن در مجله‌ی ساینس منتشر شد، می‌گوید:
سطح دقت لازم برای تعیین شعاع پروتون، این اندازه گیری را به دشوارترین اندازه‌گیری که تاکنون در آزمایشگاه ما انجام شده، تبدیل کرد.
برخلاف مدل‌های راحت اتم‌ها در کتب درسی، پروتون‌ها، کره‌های کوچک همگنی نیستند. پروتون فاقد یک سطح متمایز بوده و در عوض، ابری است که با آستانه‌‌ی بار مثبتش تعریف می‌شود. برای اندازه گیری این مرز می‌توانید یکی از دو روش زیر را استفاده کنید.
یکی از این روش‌ها این است که ذرات دارای بار منفی را به هسته‌های اتم‌های هیدروژن شلیک کنید و ببینید آن‌ها چگونه کمانه می‌کنند. با شلیک تعداد کافی از الکترون‌ها، باید بتوانید یک الگو بیابید که به شما بگوید بار مثبت پروتون، کجا شروع به ناپدید شدن می‌کند. این رویکرد، در طول این سال‌ها بارها امتحان شده و عموما نتایج در حدود ۰.۸۸ ظاهر شده‌اند.
روش دوم بر تغییر سطوح انرژی الکترونی که دور پروتون می‌چرخد، تکیه می‌کند. به بیان فنی‌تر، اندازه گیری ها مبتنی بر شگفتی‌های مکانیک کوانتومی و این واقعیت که ذرات همیشه یک موقعیت واضح و مشخص ندارند، است. این بدان معناست که الکترون‌ها گاه و بی‌گاه، خودشان را در قلب مرده‌ی یک پروتون می‌یابند و به طور مساوی در تمام جهات کشیده می‌شوند. تفاوت حالات انرژی الکترون برانگیخته‌ای که گاه و بی‌گاه خودش را درون یک پروتون پیدا می‌کند، حدود ۷۰ سال پیش و برای نخستین بار توسط برنده جایزه نوبل، ویلیس لمب (Wallis Lamb) اندازه‌گیری شد.
«اغلب» اندازه گیری های مبتنی بر جابه‌جایی لمب، کم‌وبیش با یکدیگر سازگار بودند، بنابراین کمیته‌ی داده‌های علم وفناوری (Committee on Data for Science and Technology)، عدد ۰.۸۷۵ را به عنوان شعاع رسمی پروتون اعلام کرد. اما «اغلب»، به معنای «همه» نیست! آزمایش مهم سال ۲۰۱۰ نتوانست نتیجه‌ای نزدیک به این عدد بدست آورد.
بیایید جای الکترون موجود در اتم هیدروژن را با یک ذره‌ی سنگین‌تر به نام میون (دارای بار منفی و جرمی حدود ۲۰۰ برابر جرم الکترون) عوض کنیم. میون، زمان بیشتری را برای فروافتادن روی پروتون لازم دارد که در نتیجه باعث افزایش دقت اندازه گیری شعاع می‌شود. عدد بدست آمده در آزمایش سال ۲۰۱۰ که حاصل جابه‌جایی لمب این شکل عجیب هیدروژن بود، حدود ۴ درصد کمتر از عدد رسمی اعلام شده بود. متاسفانه حساسیت این روش، آنقدر عالی بود که قابل رد شدن نبود. پس از آن، آزمایش‌های تکرار شده با استفاده از میون‌ها، اعداد مشابهی را بدست آوردند.
برخلاف این پیش‌زمینه تاریخی، هسل و گروهش به دنبال انجام یک روش جابه جایی لمب کلاسیک، یعنی همان هیدروژن دارای الکترون رفتند. فقط این بار از یک روش نسبتا جدید که به طور مخفف، FOSOF نامیده می‌شود، استفاده کردند. این رویکرد به آن‌ها اجازه داد تا آزمایش را با دقت خارق‌العاده‌ای در حد آزمایش میون انجام دهند. نتیجه‌ی آن‌ها کمی کمتر از عدد سال ۲۰۱۰ است، اما به اندازه‌ی کافی با آن سازگاری دارد. هسل می‌گوید:
خوشحالیم که پس از هشت سال کار روی این پژوهش، چنین آزمایش دقیقی را انجام دادیم که به حل معمای عجیب شعاع پروتون کمک کرد. این نتیجه حاکی از آن است که احتمالا فیزیک جدیدی پشت این اختلاف وجود ندارد و اعتراضی به مدل استاندارد وارد نیست.
