Protonen er en grundsten i det synlige stof.
Alle atomer har protoner i deres indre, og derfor vil fysikerne selvfølgelig gerne have en komplet forståelse af partiklen.
Man vil f.eks. gerne kende dens præcise størrelse, for den skal bruges i mange forskellige sammenhænge - eksempelvis når fysikerne skal beregne, hvordan atomer og molekyler udsender energi i form af lys.
Nu har et hold af fysikere målt den såkaldte ladningsradius for protonen. Den er 0,84184 femtometer, lig med 0,84184 milliontedele af en milliardtedel af en meter.
Dette resultat, der er offentliggjort i det nyeste nummer af tidsskriftet Nature, kom som en stor overraskelse. Hidtil har forskerne nemlig ment, at protonen har en radius på 0,8768 femtometer, og den nye værdi er fire procent mindre. Nu skal fysikerne prøve at finde en god forklaring på den store forskel.
Spørgsmålet er, om der var fejl i de gamle (eller de nye) målinger, om fysikerne har regnet forkert et sted, eller om man bliver nødt til at revidere teorien for vekselvirkningen mellem lys (fotoner) og stof.
Denne teori om kvanteelektrodynamik har ellers været enormt succesfuld. Den har givet en række præcise forudsigelser om atomernes opførsel. Men fælles for alle teorier er, at de skal passe til observationerne. Og her passer de nye resultater dårligt ind.
Forskerne mente at have bestemt protonens radius med en præcision på én procent ved hjælp af målinger på protoner omkredset af en elektron - almindelige brintatomer - kombineret med kvanteelektrodynamiske beregninger.
Men der er altså noget, der ikke passer, hvis man skal tro de nye, meget pålidelige resultater fra Paul Scherrer-instituttet i Schweiz.
I laboratoriet i Schweiz brugte forskerne en ganske særlig variant af brintatomet til at måle sig frem til protonens radius. I stedet for at lade en elektron kredse om protonen, fik de nemlig elektronens tungere fætter myonen på banen.
Selv om protonen er ganske lille, er den ikke en elementarpartikel.
Den består nemlig af tre kvarker, der er bundet solidt sammen af kraftpartikler, der kaldes gluoner.
En myon er 200 gange så tung som en elektron, og derfor kredser den også 200 gange tættere omkring protonen. Derfor bliver det meget nemmere at måle, hvad der skal til for at få myonen til at skifte mellem to forskellige energitilstande.
Ved at fintune en særlig laser lykkedes det forskerne at måle, præcis hvor meget energi der skal tilføres, før myonen springer fra en bane kaldet 2S til en bane kaldet 2P. Og ud fra denne energi kan protonens radius beregnes præcist - faktisk 10 gange så præcist som ved hidtidige eksperimenter.
Fysikerne har drømt om at udføre dette eksperiment i 40 år, men det er først for nyligt, at man har fået så meget styr på laserteknologi og ikke mindst fremstilling og indfangning af myoner, at det kunne lade sig gøre.
Nu vil forskerne prøve at foretage en række nye eksperimenter, hvor der også måles på myoniske heliumatomer. Imens vil teoretiske fysikere prøve at få fornuft ud af det banebrydende resultat.
Se video fra eksperimentet:
Hvad består en proton af?
Når vi kan definere en størrelse af en genstand - her en elementarpartikel, må genstanden bestå af noget.
Hvad er dette noget?
Er det kraftfelters udbredelse i en kuglesfære eller hvad er det der gør, at det er muligt at definere en størrelse af en proton?
Vi ved også, at en proton og en antiproton annihilerer til ren stråling, eller er der partikelovergange fra proton/antiproton og til ren stråling?
Strålingen er bestående af elektromagnetiske kraftfelter, hvorfor vi kan formode, at alle elementarpartikler i vitterligheden må består af elektriske og magnetiske kraftfelter, som så er sammensat på specifikke måder. Men er tyngdekraften så også en del af disse kraftfelter?
Ligesom de 4 biokemiske baser adenin, guanin, thymin, cytosin er sammensatte i et DNA, som så kan frembringe alverdens forskellige organiske livsvæsener, så må de elektriske, magnetiske og (tyngdekraften?) kunne kombineres på forskellig vis, således at det alene ved disse tre kræfter er muligt af frembringe alverden elementarpartikler og dermed tillige den svage og den stærke kernekraft.
Skulle universet vitterlig kunne være så simpelt opbygget, så er det jo rigtig spændende at se, hvad fremtiden kan frembringe af viden, både inden for den fysiske videnskab, så vel som inden for den biokemiske videnskab.
Med venlig hilsen
Lars Kristensen
Inden vi svømmer helt over af begejstring
skal vi nok overveje den muligheden af, at det kan være myonens masse på ca. 200 gange elektronens samt den kortere afstand til protonen, som påvirker dennes radius.
Hvor stor er en elektron?
Yderst spændende forsøg! Forsøg der har til opgave at bestemme en protons geometriske størrelse så nøjagtigt muligt. I det beskrevne forsøg, den såkaldte ’ladnings-radius’.
Men: Hvad er ’størrelsen’ af en elektron?
Har man udført forsøg, der har ’målt’ en elektrons ’geometriske størrelse’? -- Eller, planlægges der forsøg, der har som hovedformål, at bestemme en elektrons ’radius’?
Læs mere om elektronen på: http://louis.rostra.dk/andreart/elektronen.html
Hilsen fra
Louis Nielsen