nauki ścisłe
Autor: Jan C. Bernauer i Randolf Pohl | dodano: 2014-02-24
Co z promieniem protonu?

Dwa eksperymenty dały wyraźnie różne wartości promienia protonu. Jak to wytłumaczyć?

Wydaje się, że wiemy, co to jest proton.

Wszak to główny składnik materii w widzialnym Wszechświecie i paliwo dla gwiezdnych palenisk. Badania dodatniego protonu, który z ujemnie naładowanym elektronem tworzy atom wodoru, sto lat temu zainicjowały kwantową rewolucję. Dziś badacze zderzają wiązki ultrawysokoenergetycznych protonów, aby w gąszczu powstających produktów szukać egzotycznych bytów, takich jak bozon Higgsa.

Wyniki niedawnych badań protonów okazały się dla nas całkowitą niespodzianką. Obydwaj, razem z naszymi współpracownikami, przeprowadziliśmy najdokładniejsze dotąd pomiary promienia protonu, wykonując w tym celu dwa komplementarne eksperymenty. Kiedy zaczynaliśmy pracę, wydawało nam się, że nowe wyniki po prostu zwiększą dokładność wcześniejszych pomiarów. Rzeczywistość okazała się inna. Uzyskane w obydwu doświadczeniach rezultaty są wyraźnie rozbieżne. Różnica zmierzonych wartości przekracza pięciokrotnie niepewność każdego z pomiarów. Prawdopodobieństwo, że to zwykły przypadek, jest mniejsze niż 1 do miliona.

Nie ulega wątpliwości, że coś umyka naszej uwadze. Albo nie wiemy, czym jest proton, albo nie rozumiemy zjawisk fizycznych, które wykorzystujemy, aby zmierzyć jego promień. Zadaliśmy naturze pytanie i otrzymaliśmy niezrozumiałą odpowiedź. Mamy więc szansę, aby nauczyć się czegoś nowego.

Brakujące przesunięcie

nasza historia zaczyna się na włoskiej wyspie San Servolo, oddalonej o 10 minut rejsu motorówką z Piazza San Marco w Wenecji. Do końca lat 70. ubiegłego wieku mieścił się na niej szpital dla umysłowo chorych. Trzydzieści lat później stała się miejscem spotkań fizyków dyskutujących na temat najbardziej wyrafinowanych testów elektrodynamiki kwantowej, najdoskonalszej teorii w fizyce, a może nawet we wszystkich naukach przyrodniczych.

Historia elektrodynamiki kwantowej sięga roku 1928, kiedy P.A.M. Dirac połączył mechanikę kwantową ze szczególną teorią względności dzięki tzw. równaniu Diraca. W rezultacie powstała najskuteczniejsza teoria elektryczności i magnetyzmu, która precyzyjnie opisuje oddziaływanie światła z materią. Za przykład niech posłuży fakt, że elektrodynamika kwantowa opisuje budowę atomów, odwołując się jedynie do praw fizyki oraz podstawowych stałych, jak masa elektronu. Fizycy testują elektrodynamikę kwantową, badając proste atomy, a zwłaszcza atom wodoru. Potrafią przewidywać wyniki eksperymentów z dokładnością sięgającą 0,000000000001%. Podobną precyzję można osiągnąć, wykonując eksperymenty.

Poznaliśmy się właśnie na San Servolo. Przyjechaliśmy tam, ponieważ badaliśmy właściwości protonu, aby jeszcze bardziej uściślić naszą znajomość elektrodynamiki kwantowej. Zespół Bernauera badał wewnętrzną strukturę protonu za pomocą udoskonalonej techniki, która już wcześniej dawała najdokładniejsze wyniki.

Zespół Pohla posługiwał się zupełnie nową metodą. Polegała na wyznaczaniu niewielkich zmian energii poziomów w egzotycznej odmianie atomu wodoru, w której nie było elektronu. Ich wartości silnie zależały od rozmiarów protonu. W przypadku zwykłego wodoru przesunięcia te zostały odkryte w 1947 roku przez zmarłego przed paru laty Willisa E. Lamba Jr. Chociaż fizycy na określenie zjawiska używają jednej nazwy, „przesunięcie Lamba”, rozumieją, że ma ono dwie przyczyny. Pierwszą jest obecność tzw. cząstek wirtualnych, duchów, które nagle pojawiają się wewnątrz atomu, aby równie szybko zniknąć. Naukowcy dzięki elektrodynamice kwantowej umieją z olbrzymią precyzją obliczyć, jak cząstki wirtualne wpływają na energię poziomów w atomie. W ostatnich latach możliwości w zakresie prawidłowego przewidywania przesunięcia Lamba zaczęła ograniczać druga przyczyna zjawiska, którą jest niepewność co do rozmiarów protonu oraz dziwaczna kwantowa natura elektronu.

W mechanice kwantowej elektron jest opisywany przez rozmytą funkcję falową, która rozciąga się na obszarze wielkości atomu. Funkcja falowa, a dokładniej jej kwadrat, wyraża prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym położeniu. Kształt funkcji falowej może przyjmować jedną z postaci tworzących dyskretny zbiór zwany stanami atomu.

W przypadku niektórych stanów atomowych, z przyczyn historycznych nazywanych „stanami s”, funkcja falowa osiąga maksimum w obszarze jądra atomowego. Oznacza to, że mamy niezerowe prawdopodobieństwo znalezienia elektronu wewnątrz protonu. Prawdopodobieństwo to rośnie wraz promieniem protonu. Kiedy elektron znajduje się wewnątrz protonu, w mniejszym stopniu odczuwa jego ładunek, co osłabia wiązanie pomiędzy protonem i elektronem.

Rezultatem jest zmiana przesunięcia Lamba dla stanu o najniższej energii (1s) o 0,02%. Może się wydawać, że tak niewielki ułamek nie jest istotny, ale różnica energii pomiędzy stanem podstawowym 1s i pierwszym stanem wzbudzonym 2s została zmierzona z niewiarygodną dokładnością kilku części na 1015. Dlatego, kiedy porównujemy obliczenia w ramach elektrodynamiki kwantowej z wynikami eksperymentów, trzeba uwzględnić nawet słaby efekt zależny od promienia protonu.

Grupa Pohla przez osiem lat próbowała wyznaczyć rozmiary protonu. Jednak do czasu pierwszej konferencji w San Servolo ich eksperyment nie działał, co dla wszystkich było wielką zagadką.

Jednocześnie Bernauer z zespołem zabierał się do zmierzenia promienia protonu alternatywną metodą. Jego eksperyment nie był związany z wyznaczaniem poziomów energetycznych wodoru, lecz polegał na badaniu rozpraszania elektronów na tarczy wodorowej.

 

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 03/2014 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
12/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
24
W 1859 r. Karol Darwin opublikował dzieło O powstaniu gatunków na drodze doboru naturalnego.
Warto przeczytać
Odkrycia Svante Pääbo zrewolucjonizowały antropologię i doprowadziły do naniesienia poprawek w naszym drzewie genealogicznym. Stały się fundamentem, na którym jeszcze przez długie lata budować będą inni badacze

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Jan C. Bernauer i Randolf Pohl | dodano: 2014-02-24
Co z promieniem protonu?

Dwa eksperymenty dały wyraźnie różne wartości promienia protonu. Jak to wytłumaczyć?

Wydaje się, że wiemy, co to jest proton.

Wszak to główny składnik materii w widzialnym Wszechświecie i paliwo dla gwiezdnych palenisk. Badania dodatniego protonu, który z ujemnie naładowanym elektronem tworzy atom wodoru, sto lat temu zainicjowały kwantową rewolucję. Dziś badacze zderzają wiązki ultrawysokoenergetycznych protonów, aby w gąszczu powstających produktów szukać egzotycznych bytów, takich jak bozon Higgsa.

Wyniki niedawnych badań protonów okazały się dla nas całkowitą niespodzianką. Obydwaj, razem z naszymi współpracownikami, przeprowadziliśmy najdokładniejsze dotąd pomiary promienia protonu, wykonując w tym celu dwa komplementarne eksperymenty. Kiedy zaczynaliśmy pracę, wydawało nam się, że nowe wyniki po prostu zwiększą dokładność wcześniejszych pomiarów. Rzeczywistość okazała się inna. Uzyskane w obydwu doświadczeniach rezultaty są wyraźnie rozbieżne. Różnica zmierzonych wartości przekracza pięciokrotnie niepewność każdego z pomiarów. Prawdopodobieństwo, że to zwykły przypadek, jest mniejsze niż 1 do miliona.

Nie ulega wątpliwości, że coś umyka naszej uwadze. Albo nie wiemy, czym jest proton, albo nie rozumiemy zjawisk fizycznych, które wykorzystujemy, aby zmierzyć jego promień. Zadaliśmy naturze pytanie i otrzymaliśmy niezrozumiałą odpowiedź. Mamy więc szansę, aby nauczyć się czegoś nowego.

Brakujące przesunięcie

nasza historia zaczyna się na włoskiej wyspie San Servolo, oddalonej o 10 minut rejsu motorówką z Piazza San Marco w Wenecji. Do końca lat 70. ubiegłego wieku mieścił się na niej szpital dla umysłowo chorych. Trzydzieści lat później stała się miejscem spotkań fizyków dyskutujących na temat najbardziej wyrafinowanych testów elektrodynamiki kwantowej, najdoskonalszej teorii w fizyce, a może nawet we wszystkich naukach przyrodniczych.

Historia elektrodynamiki kwantowej sięga roku 1928, kiedy P.A.M. Dirac połączył mechanikę kwantową ze szczególną teorią względności dzięki tzw. równaniu Diraca. W rezultacie powstała najskuteczniejsza teoria elektryczności i magnetyzmu, która precyzyjnie opisuje oddziaływanie światła z materią. Za przykład niech posłuży fakt, że elektrodynamika kwantowa opisuje budowę atomów, odwołując się jedynie do praw fizyki oraz podstawowych stałych, jak masa elektronu. Fizycy testują elektrodynamikę kwantową, badając proste atomy, a zwłaszcza atom wodoru. Potrafią przewidywać wyniki eksperymentów z dokładnością sięgającą 0,000000000001%. Podobną precyzję można osiągnąć, wykonując eksperymenty.

Poznaliśmy się właśnie na San Servolo. Przyjechaliśmy tam, ponieważ badaliśmy właściwości protonu, aby jeszcze bardziej uściślić naszą znajomość elektrodynamiki kwantowej. Zespół Bernauera badał wewnętrzną strukturę protonu za pomocą udoskonalonej techniki, która już wcześniej dawała najdokładniejsze wyniki.

Zespół Pohla posługiwał się zupełnie nową metodą. Polegała na wyznaczaniu niewielkich zmian energii poziomów w egzotycznej odmianie atomu wodoru, w której nie było elektronu. Ich wartości silnie zależały od rozmiarów protonu. W przypadku zwykłego wodoru przesunięcia te zostały odkryte w 1947 roku przez zmarłego przed paru laty Willisa E. Lamba Jr. Chociaż fizycy na określenie zjawiska używają jednej nazwy, „przesunięcie Lamba”, rozumieją, że ma ono dwie przyczyny. Pierwszą jest obecność tzw. cząstek wirtualnych, duchów, które nagle pojawiają się wewnątrz atomu, aby równie szybko zniknąć. Naukowcy dzięki elektrodynamice kwantowej umieją z olbrzymią precyzją obliczyć, jak cząstki wirtualne wpływają na energię poziomów w atomie. W ostatnich latach możliwości w zakresie prawidłowego przewidywania przesunięcia Lamba zaczęła ograniczać druga przyczyna zjawiska, którą jest niepewność co do rozmiarów protonu oraz dziwaczna kwantowa natura elektronu.

W mechanice kwantowej elektron jest opisywany przez rozmytą funkcję falową, która rozciąga się na obszarze wielkości atomu. Funkcja falowa, a dokładniej jej kwadrat, wyraża prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym położeniu. Kształt funkcji falowej może przyjmować jedną z postaci tworzących dyskretny zbiór zwany stanami atomu.

W przypadku niektórych stanów atomowych, z przyczyn historycznych nazywanych „stanami s”, funkcja falowa osiąga maksimum w obszarze jądra atomowego. Oznacza to, że mamy niezerowe prawdopodobieństwo znalezienia elektronu wewnątrz protonu. Prawdopodobieństwo to rośnie wraz promieniem protonu. Kiedy elektron znajduje się wewnątrz protonu, w mniejszym stopniu odczuwa jego ładunek, co osłabia wiązanie pomiędzy protonem i elektronem.

Rezultatem jest zmiana przesunięcia Lamba dla stanu o najniższej energii (1s) o 0,02%. Może się wydawać, że tak niewielki ułamek nie jest istotny, ale różnica energii pomiędzy stanem podstawowym 1s i pierwszym stanem wzbudzonym 2s została zmierzona z niewiarygodną dokładnością kilku części na 1015. Dlatego, kiedy porównujemy obliczenia w ramach elektrodynamiki kwantowej z wynikami eksperymentów, trzeba uwzględnić nawet słaby efekt zależny od promienia protonu.

Grupa Pohla przez osiem lat próbowała wyznaczyć rozmiary protonu. Jednak do czasu pierwszej konferencji w San Servolo ich eksperyment nie działał, co dla wszystkich było wielką zagadką.

Jednocześnie Bernauer z zespołem zabierał się do zmierzenia promienia protonu alternatywną metodą. Jego eksperyment nie był związany z wyznaczaniem poziomów energetycznych wodoru, lecz polegał na badaniu rozpraszania elektronów na tarczy wodorowej.