Pin başına kaç tane proton dans edebilir? Cevap, düşünebileceği kadar basit bir noktaya yakın değildir - ve fizikteki en iyi test edilmiş teorilerden birine yeni içgörüler sunabilir.
Uluslararası bir bilim adamları ekibi kısa süre önce, vücudumuzun ve etrafımızdaki dünyayı oluşturan atomların (nötronlar ve elektronlarla birlikte) bileşenlerinden biri olan protonun gerçek boyutunu bulmaya çalıştı.
Science dergisinde bu hafta rapor veren araştırmacılar, partikülün yarıçapının 0.84087 femtometre olduğunu buldular. Bir femtometre, bir metrenin milyarda birinin milyonda biri kadardır veya o kadar küçüktür ki, gama radyasyonunun dalga boyu 100 kat daha uzundur. Yeni ölçüm şu anda kabul edilen 0.8768 femtometre yarıçapından yaklaşık 4 percententsmaller ve bu küçük fark bir bulmaca sunuyor.
Eğer daha küçük boyut doğruysa, fizikçilerin kuantum elektrodinamiğini anlamalarında, ışık ve maddenin nasıl etkileşimde bulunduğunu yöneten bir şey yoktur.
Proton hatası mı?
İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü'ndeki fizikçi ve makalenin ilk yazarı Aldo Antognini, WordsSideKick.com’a verdiği demeçte, farkın üç şeyden biri anlamına gelebileceğini söyledi.
Birincisi, daha önceki çalışmalarda bazı hatalar var, ancak bu muhtelif denemelerin tekrar tekrar kaç kez verildiği belli değildir.
İkinci olasılık, protonun büyüklüğü için hesapların bir kısmının eksik olmasıdır. Antogninisaid, "Belki de tam proton yapısını anlamıyoruz."
Üçüncü açıklama ise, kuantum elektrodinamiğinin mevcut teorilerinin yanlış olmasıdır, ancak teorinin çok iyi çalıştığı ve birçok kez test edildiği göz önüne alındığında, bu durumun zayıf olduğu görülmüştür. [Tuhaf Fizik: Doğada Havalı Küçük Parçacıklar]
Bu sonuç, bir çelişki ilk kez ortaya çıkmadı. 2010 yılında, Garning, Almanya'daki Max Planck Kuantum Optiği Enstitüsü'nden Randolf Pohl liderliğindeki uluslararası bir ekiple çalışan Antognini, proton yarıçapının 0.84185 femtometre olduğunu gösterdi.
Bir proton nasıl ölçülür
Bir proton bilimcinin boyutunu bulmak için üç yöntem kullandı. Biri elektron saçılımıdır: negatif yüklü elektronları pozitif yüklü nükleer çekirdeklerde (protonlar) ateşlemek ve bunların nasıl saptırıldığını ölçmek. Saçılma modeli, pozitif yük bölgesinin ne kadar büyük olduğuna dair bir fikir verebilir.
İkinci yöntem, bir çekirdeğin etrafında farklı yörünge bölgelerine hareket etmek için bir elektron elde etmek için ne kadar enerji gerektiğini ölçmektir. Elektronlar genellikle nükleustan belirli bir mesafede olan bölgelerde kalırlar. Enerjilerini arttırırlar ve heyecanlanırlar ve yörüngesel olarak adlandırılan farklı bir bölgeye giderler. Elektronlar, daha sonra, istenmeyen hallerine geri dönerler ve bir foton yayarlar. Bir elektronu bir yörüngeden daha yüksek enerjiye taşımak için gereken enerjiye ve elektronun düşük enerjili orbitaline geri döndüğünde yayılan foton dalgaboyunu yakından inceleyerek proton boyutunu ölçmek mümkündür.
Son olarak, en son deney setinde kullanılan yöntem, etrafında bir yörüngeden ziyade bir elektrondan ziyade bir muon olan bir proton olan muonik hidrojen içerir. Elektronlar gibi, müonlar da negatif yüklüdür, ancak bunlar 207 kat daha ağırdır. Bu, protona daha yakın uçmaları anlamına gelir ve onları daha yüksek enerjili orbitallere taşımak için daha fazla enerji gerektirir. Daha büyük enerji farklılıkları onları daha kolay ölçüyor. Muonik hidrojende bir lazer yakmak, muonu farklı bir yörüngeye taşıyarak muonu uyarır. Müon daha sonra bir X-ışını foton yayan düşük enerjili durumuna geri döner.
On yıllar boyunca kullanılan ilk iki yöntem, protonun yarıçapı için daha büyük bir değere ulaşmıştı. Bilim adamlarının daha küçük bir belirsizliğe sahip olduğu söylenen ikinci yöntem, daha küçük olanı buldu. Bununla birlikte, bu hesaplamalar oldukça karmaşıktır.
Yeni proton ölçümü
İsviçre'deki Paul Scherrer Enstitüsü'nde deneyler gerçekleştiren Antognini'nin ekibi, muonik hidrojen deneyini sadece ikinci kez yapmakla kalmadı, aynı zamanda daha kesin bir ölçüm sağlamak için adımlar attılar. Farklılık kaldı. Antognini, "Belki de sadece protonların yapısında sadece bir şey olduğunu vurgulayan bir şey var" dedi. [Tuhaf: Top 10 Açıklanamayan Olaylar]
Bu yüzden yeni değer böyle bir gizemi kanıtlıyor. Kuantum elektrodinamiği (QED) muhtemelen doğrudur ve uzmanların, basit hatalardan dolayı önceki deneylerin bu kadar yanlış olmasının da muhtemel olmadığı söylenebilir.
Araştırmada yer almayan U.K. Ulusal Fizik Laboratuvarı'nda araştırma görevlisi olan Helen Margolis, "Hesaplamalarda bazı eksik terimler olabilir," dedi. "QED şu ana kadar inanılmaz seviyelerde test edildi, ancak matematiksel temel sizin istediğiniz kadar güvenli değil."
Union College'da fizik ve astronomi profesörü olan Chad Orzel ve "Köpeğinize Fizik Nasıl Öğretilir" yazarı (Scribner, 2010), sonuçlarının ortaya attığı sorular nedeniyle genel olarak fizik için iyi olduğunu söyledi. “Tüm ölçümler ve teori birbirleriyle hemfikir olduğunda gerçekten sıkıcıdır. Bu tür bir anlaşmazlık bize Higgs bozonuyla ilgili olmayan bir şeyler anlatır.”
Editörün Notu: Bu makale femtometrenin tanımını düzeltmek için güncellendi.
Twitter'da WordsSideKick.com izleyin @wordssidekick. Ayrıca biz de Facebook & Google+.