یکی از معماهای مهمی که در دنیای فیزیک، بحث داغی به پا کرده، معمای شعاع پروتون است. فیزیکدانان در سال ۲۰۱۰ شعاع پروتون را اندازه‌گیری کردند که با نتایج قبلی تفاوت داشت. در آن آزمایش، الکترونِ اتم هیدروژن را با میون (Muon) جایگزین کردند و شعاع کوچکتری بدست آوردند. از آن پس این اختلاف عددی، به معمای شعاع پروتون معروف است. جنجال‌ها در این مورد همچنان ادامه دارد. با دیپ لوک همراه باشید…
یک مسابقه‌ی طناب‌کشی علمی در رابطه با شعاع پروتون در حال انجام است. دانشمندان در اینکه ذرات زیر اتمی چقدر بزرگ هستند، نمی‌توانند به توافق و اجماع برسند. اما یک اندازه‌گیری جدید، یک کشش قوی در این مسابقه‌ی طناب‌کشی به نفع اینکه شعاع پروتون، کوچکتر از اندازه‌ی فعلی است، ایجاد کرده است.
دانشمندان با آزمایش پی‌راد (PRad) و مطالعه‌ی نحوه‌ی پراکنده شدن الکترون‌ها توسط پروتون‌ها در آزمایشگاه جفرسون (Jefferson)، مقاله‌ای منتشر کردند که شعاع پروتون را ۰.۸۳ فمتومتر اندازه‌گیری کرده‌اند. این شعاع ۵ درصد از شعاعی که در حال حاضر پذیرفته شده (تقریبا ۰.۸۸ فمتومتر)، کمتر است.
عدد جدید به مجموعه اندازه‌گیری‌های قبلی اضافه می‌شود. هر کدام از نتایج اندازه‌گیری‌ها به یکی از دو دسته تعلق می‌یابد که یکی از آنها متعلق به عدد استاندارد و در حال حاضر پذیرفته شده و دیگری مربوط به دسته‌ی دیگر با عدد کمی کوچکتر است. نیلانگا لیاناگ (Nilanga Liyanage)، فیزیکدانی از دانشگاه ویرجینیا نتایج جدیدی که از آزمایش پی‌راد بدست آمده را در ۲۳ اکتبر در گردهمایی جامعه‌ی فیزیک آمریکا و جامعه‌ی فیزیک ژاپن که در هاوایی برگزار شد، ارائه کرد. او بر اساس این نتایج میگوید:
معمای شعاع پروتون پیچیده‌تر شده است.
در این آزمایش الکترون‌ها توسط پروتون‌هایی پراکنده می‌شوند که داخل گاز هیدروژن هستند. همچنین، این روش موجب بهبود نتایج آزمایشات قبلی پراکندگی الکترون و پروتون که الکترون‌های پراکنده شده با زاوایه‌ی پراکندگی به کوچکی ۰.۶ درجه را حبس می‌کنند، می‌شود. این الکترون‌ها کمک می‌کنند تا بیرونی‌ترین لایه‌ی پروتون را بدست آوریم. شعاع کوچکتری که از آزمایش پی‌راد بدست آمده، با اندازه‌گیری‌های قبلی پراکندگی الکترون-پروتون سازگار نیست. به هرحال محققان هشدار می‌دهند که اینها هنوز نتایج ابتدایی‌اند و قبل از اینکه در یک مجله‌ی علمی ارائه و صلاحیت آن توسط سایر محققان تایید شود، نیاز به تحقیق بیشتری دارند.
گذشته‌ی معمای شعاع پروتون
علاوه بر پراکندگی الکترون-پروتون، دانشمندان از دو روش دیگر نیز برای اندازه‌گیری بزرگی پروتون استفاده می‌کنند. یک روش که به طیف سنجی هیدروژن معروف است، به اینصورت است که از لیزر برای مطالعه‌ی سطوح انرژی اتم هیدروژن استفاده می‌کنند. چون هیدروژن از یک پروتون و یک الکترون تشکیل شده، سطوح انرژی اتم به بزرگی پروتون نیز وابسته است. روش دیگری که در سال ۲۰۱۰ معرفی شد، مانند روش طیف‌سنجی هیدروژن است، با این تفاوت که الکترون‌های اتم هیدروژن با یک الکترون به نسبت سنگین‌تر، که میون نام دارد، جایگزین می‌شوند. این جایگزینی بود که برای اولین بار، جنجال‌های فراوانی را راجع به شعاع پروتون به راه انداخت. اولین اندازه‌گیری با این روش، در سال ۲۰۱۰ در مجله Nature و با پروتونی که برخلاف انتظارات، کوچک بود، منتشر شد. اما این ذره، در سالی که اندازه‌گیری پراکندگی الکترون-پروتون گروه A1 انجام شد، ضخیم‌تر شد و شعاع بزرگتری پیدا کرد که با اندازه‌گیری‌های قدیمی‌تر نیز مطابقت داشت.
یک اندازه‌گیری مشابه که در مجله‌ی Science در سال ۲۰۱۷ چاپ شد، یک شعاع کوچکتر را گزارش داد. آزمایش مشابهی برای یک مطالعه‌ی دیگر انجام شد که در جولای امسال در کنفرانس بین‌المللی فیزیک اتمی بارسلونا گزارش شد. اما شعاع بزرگتر پروتون در مطالعه‌ی دیگری بدست آمد که در ماه می در Physical Review Letters منتشر شد.
شعاع پروتون یک ویژگی مهم طبیعت است و سردرگمی درباره‌ی اندازه‌ی آن، دانشمندان را از انجام سایر آزمایشات باز می‌دارد؛ آزمایشاتی مانند بررسی نظریه‌ی الکترودینامیک کوانتومی که راجع به چگونگی رفتار ذرات باردار و سبک توضیح می‌دهد. در ابتدا، نگرانی‌ها راجع به شعاع پروتون دانشمندان را به این فکر رساند که این اختلاف ممکن است وجود ذرات جدید یا رازهای دیگر فیزیک را آشکار سازد. مارکو هورباچش (Marko Horbatsch)، فیزیکدانی در دانشگاه یورک تورنتو (York University in Toronto) میگوید:
اما اکنون به نظر می‌رسد چنین توضیحاتی صحیح نباشند.
انجام آزمایشات بیشتر مانند آزمایش MUSE که قرار است به زودی در سوئیس انجام شود، می‌تواند این اختلاف را حل کند. این آزمایش میون‌ها را توسط پروتون‌ها پراکنده خواهند کرد. اما فعلا بجث‌ها ادامه دارد. هورباچش میگوید:
علم آنقدری که شما می‌خواهید مردم باور کنند، محکم و دقیق نیست!
گفتگو۱ دیدگاه
برای اینکه از طراحی های یک شتاب دهنده بسیار بزرگ سرن در کشور رد شده و سیستم بهتری را تولید کنیم باید از سیستم اشعه ای استفاده کنیم که بتواند بدرون ذرات نفوذ کند و این با فیزیک کوانتوم سازگاری دارد دقیقا مثل رادار ما امواج زیر فرکانسی را تولید کرده و به سمت زیر ساختارهای اتمی ارسال می کنیم در نتیجه این عمل شما می توانید رفتار برگشتی از زیرذرات را شنود کنید و یا اینکه گیرنده هایی را طراحی کنید که رفتارهای یک ذره را که تولید امواج می کنند را مرود بررسی قرار دهید با این روش شما فقط کافی است که یک ریز حسگرهایی را طراحی کنید و طوری این ریز حسگرها را کنار هم قرار دهید که بتوانند مثلا بر روی یک فمتو زیر ذره فوکوس کند و در نتیجه این عمل شما توانایی آشکارسازی تمامی پارامترها را از نظر چگونگی رفتار اندازه رفتار فرکانس تولید شده و همچنین دیگر نیازی نیست که اینهمه فاصله را یک نوترون پیمایش کند فقط شما دستگاهی را می سازید که فرکانس تولید شده از یک ذره ای که در یک سیستم زیر رشته نانو ریسمانی دارد مورد بررسی قرار دهد و پس از آشکارسازی در حد ۱۰^–۲۴ توانایی دیدن و حتی بیشتر داشته باشید ما بجای اینکه شتابدهنده بسازیم می توانیم فقط نانو حسگرهایی بسازیم که رفتار هسته های کوانتومی ابر ریسمانی را شنود کرده و در نتیجه بتوانید بدون اینکه اینهمه هزینه را داشته باشیم فقط یک سیستم شنود و دیداری داشته باشیم که توانایی آشکارسازی زیر ابر ریسمانها را داشته باشد
شتابدهنده سرن یک ذره را فقط شتاب داده و منتظر این هستند که ذره شکافته شود ولی ما بجای اینکه ذره را بشکافیم ذره را شنود می کنیم و دقیقا مثل رادار واکاوی می کنیم می دانیم که ذره دارای فرکانس است و در نتیجه چون حرکت دارد می توانیم جزء به جزء زیر ساختارها را بوسیله حسگرهای شنود سیستم رفتارشناسی ذره آشکار ساز ذرات را جزء به جزء مرد بررسی قرار دهیم و بجای صرف هزینه های شتابدهنده ای چون سرن ما فقط ذرات را مثل رادارهای شنود مورد شناسایی پارامترهای شنود قرار می دهیم و داخل ذره را با ین روش ببینیم و بهتر به درون هسته و سیستم ابر ریسمانی درون اتم پی ببریم ابتدا با فوکوس بر روی فرکانسی که هر ذره زیر ساختاری دارد مثلا با ۱۰^-۱۲ منظورم این است که حسگرهای زیر ساختاری را دقیقا روی فرکانسی که از زیر ذره دارد ۱۰^-۱۲ متر فرکانسی فدکوس می کنید یعنی ۱۰^-۱۲ متر ما فرکانس را شنود و دیداری به حسگر توانایی آشکارسازی میدهیم هر چه قدرت و میزان آشکار سازی یعنی بزرگنمایی اماواج دریافتی بیشتر باشد دید بهتری از زیر ذرات داربم و با این روش شما بجای اینکه یک ذره ر ا با ذسرعت های زیاد بشکافید درون ذره را و عوامل تشکیل دهنده ذره ر بوسیله دیدن از راه حسگرهای دیداری می بینید