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.
Succesfuld teori skal måske skrives om
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.
Elektronens fede fætter gav svaret
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.
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.
\ Fakta
RUMMER TRE KVARKER
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.
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.
Video fra laboratoriet
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:
