به‌نظر می‌رسد پروتون واقعا کوچک‌تر از آن چیزی است که تاکنون فکر می‌کردیم. سال ۲۰۱۰ (۱۳۸۹)، آزمایش‌هایی روی حالت غیرطبیعی پروتون انجام شد که نشان می‌داد ابعاد این ذره‌ی زیراتمی با دیگر مقادیر ثبت‌شده تفاوت دارد.
حال، پژوهشگران آلمانی و روس آزمایش هیجان‌انگیزی انجام داده‌اند که نتایج آن به ابعاد کوچک‌تری برای این ذره‌ی زیراتمی اشاره دارد.
نتایج این آزمایش می‌تواند نخستین گام برای رازگشایی از معمایی باشد که پیرامون دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌ها از هسته‌ی اتم و مدل استاندارد ذرات بنیادی شکل گرفته است.
ده‌ها سال است که فیزیکدانان، اندازه‌ی ذره‌ی پروتون را به دو روش برآورد کرده‌اند. فیزیکدانان اتمی با استفاده از طیف‌نگاری، انرژی تراز الکترون‌هایی را که به دور هسته‌ی اتمی می‌گردند، اندازه‌گیری می‌کنند.
اندازه‌ی هسته بر این انرژی‌ها تأثیر می‌گذارد؛ هرچه هسته بزرگ‌تر باشد، زمان بیشتری طول می‌کشد تا الکترون به دور آن گردش کند.
از سوی دیگر، فیزیکدانان هسته‌ای از روشی مشابه آزمایش رادرفورد (که منجر به کشف هسته‌ی اتم شد) برای تعیین ابعاد هسته‌ی اتم استفاده می‌کنند.
آن‌ها باریکه‌ای از الکترون‌های پرسرعت را به اتم‌ها شلیک می‌کنند و با بررسی پراکندگی الکترون‌ها، اندازه‌ی هسته‌ی اتم را می‌سنجند. دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌ها با استفاده از هر دو روش به نتیجه‌ی یکسانی رسیده است: شعاع پروتون ۸۷۶۸/0 فمتومتر ( هر فمتومتر معادل ۱۵-۱۰ متر) است.
سال ۲۰۱۰ (۱۳۸۹) اما پژوهشگران انستیتو «پل شرر» در ویلیگن سوئیس، آزمایش شگفت‌انگیز و پیشگامانه‌ای انجام دادند.
گروهی از فیزیکدانان به سرپرستی «رندالف پوهل» که آن زمان عضو هیئت‌علمی انستیتو مکس‌پلانک برای اپتیک کوانتومی (MPQ) بود، توانست تلاش ده‌ساله‌ای را به نتیجه برسانند و انرژی گذار را نه در هیدروژن معمولی که در شکل خاصی از هیدروژن مصنوعی به نام «هیدروژن میونی» اندازه‌گیری کنند.
هیدروژن میونی، اتمی است که الکترون‌های آن با ذره‌ی دیگری به نام میون جایگزین شده باشد. میون، ذره‌ای شبیه به الکترون است که ویژگی‌های مشابه زیادی با الکترون دارد، اما ۲۰۰ برابر سنگین‌تر است.
ذره‌ی سنگین‌تر زمان بیشتری را درون هسته می‌گذراند، بنابراین اندازه‌ی پروتون تأثیر بیشتری بر انرژی میون خواهد داشت؛ به بیان دیگر با بررسی میون می‌توان به برآورد دقیق‌تری از اندازه‌ی ذره‌ی پروتون دست یافت.
پوهل و همکارانش به این نتیجه رسیدند که شعاع پروتون چهاردرصد کوچک‌تر از مقادیر پذیرفته‌شده است.
پس از انتشار نتایج این آزمایش، برخی پژوهشگران شک کردند ممکن است پدیده‌های فیزیکی ناشناخته‌ای وجود داشته باشد که سبب می‌شود رفتار میون در اتم با رفتار الکترون تفاوت داشته باشد
این درحالی است که مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادی (که طی سال‌های اخیر بادقت در شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی بررسی و تأیید شده است) می‌گوید میون و الکترون جز در جرم، تفاوتی ندارند.
این احتمال نیز مطرح شد که ممکن است نتایج این آزمایش به وجود ذره‌ی بنیادی کشف‌نشده‌ای اشاره داشته باشد.
پس از آن آزمایش، پوهل به دانشگاه یوهانس گوتنبرگ در ماینز (آلمان) رفت و تلاش کرد اندازه‌ی پروتون را با دقت بالاتری اندازه‌گیری کند.
او و همکارانش در مقاله‌ای که روز پنجم اکتبر (۱۳ مهر) در نشریه‌ی ساینس منتشر شد، توضیح داده‌اند که چگونه توانسته‌اند اتم‌های هیدروژن معمولی (حاوی الکترون) را با دو لیزر متفاوت بمباران و اندازه‌ی پروتون را با دقت بالاتری بسنجند.
اولین لیزر، الکترون‌های اتم‌ها را به حالتی برانگیخته منتقل می‌کرد و لیزر دوم، آن‌ها را به برانگیختگی پرانرژی‌تری می‌برد.
الکترون‌ها اندک‌زمانی پس از برانگیختگی به تراز معمول خود بازمی‌گشتند و انرژی اضافی را به شکل فوتون گسیل می‌کردند.
پژوهشگران با آشکارسازی این فوتون‌ها، انرژی آن‌ها را به دقت اندازه‌گیری کردند و نتایج را با دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌های موجود ترکیب کردند تا بتوانند مقدار دقیق‌تری برای «ثابت ریدبرگ» ارائه دهند.
ثابت ریدبرگ، انرژی لازم برای جدا کردن الکترون از اتم هیدروژن است. پژوهشگران با استفاده از مدل استاندارد ذرات بنیادی، شعاع ذره‌ی پروتون را حساب کردند و مقدار آن را پنج‌درصد کمتر از شعاع پذیرفته‌شده برای پروتون و سازگار با نتایج آزمایش هیدروژن میونی به دست آوردند.
پژوهشگران سه سال را به تکرار آزمایش، تحلیل داده‌ها و بررسی چندباره‌ی نتایج سپری کردند تا از نتایج خود مطمئن شوند.
چند نفر از پژوهشگرانی که در کمیته‌ی داده‌های علوم و فناوری (CODATA) عضویت دارند، آزمایش جدید پوهل و نتایج آن را «فوق‌العاده تأثیرگذار» توصیف کرده‌اند.
CODATA نهادی بین‌المللی است که بهترین مقادیر شناخته‌شده از ثوابت بنیادی را منتشر می‌کند و قرار است سال آینده، ویرایش جدید «دستنامه‌ی رسمی ثوابت جهانی طبیعت» را منتشر کند.
این احتمال وجود دارد که نتایج آزمایش جدید پوهل به تغییر مقادیر پذیرفته‌شده برای شعاع پروتون و ثابت ریدبرگ در این دستنامه منجر شود. البته پیش از هر تغییری، نتایج آزمایش پوهل باید تأیید شوند.
هم‌اکنون چند گروه دیگر در معتبرترین آزمایشگاه‌های جهان تلاش برای تکرار آزمایش پوهل و بررسی نتایج آن را آغاز کرده‌اند. ديگر پژوهشگران نیز درتلاشند به دقت بالاتری در سنجش‌های خود دست یابند.
در روشی جدید، پژوهشگران گاز هیدروژن سرد را مستقیما به شتاب‌دهنده‌ی الکترون در تأسیسات شتاب‌دهنده‌ی ملی توماس جفرسون تزریق کرده‌اند.
در روش‌های قبلی، آن‌ها الکترون‌های پرانرژی را به درون هیدروژن مایعی که درون جعبه‌ای پلاستیکی نگهداری می‌شد، شلیک می‌کردند؛ اما تکنیک جدید می‌تواند برخی از خطاها و عدم‌قطعیت‌ها را حذف کند و نتایج دقیق‌تری از اندازه‌ی الکترون به دست دهد
ذوالفقاردانشي/منبع:همشهري دانستنيها
نظر شما