Fizicienii sunt perplecşi: protonii sunt mai mici decât ar trebui conform legilor fizicii

Dezbătută intens în ultimii doi ani, această nepotrivire dintre datele experimentale şi cele teoretice a ieşit la iveală în 2010, când un grup de cercetători de la Institutul Max Planck de Optică Cuantică din Garching, Germania, a determinat raza protonului – particulă încărcată pozitiv din nucleul atomic – şi a descoperit că era mai mică decât era de aşteptat.

Într-un studiu anterior raza protonului fusese estimată (dar nu putuse fi măsurată cu precizie) pe baza modului în care protonii interacţionează cu electronii în atomul de hidrogen, estimând raza protonului în funcţie de distanţa la care se extinde influenţa sarcinii sale electrice pozitive, pentru a menţine la o anumită distanţă electronul încărcat negativ. Estimarea a dat ca rezultat o rază a protonului de 0.877 femtometri – mai puţin de o trilionime de milimetru.

Cercetătorii germani au utilizat însă o altă metodă. Ei au folosit un atom de hidrogen modificat, în care electronul era înlocuit de un muon, o particulă cu aceeaşi sarcină electrică ca şi electronul, dar de 200 de ori mai grea. Datorită acestei greutăţi mai mari, muonul este mai sensibil la influenţa mărimii protonului, astfel încât raza protonului poate fi măsurată cu mai multă precizie. Rezultatul a fost de 0.8418 femtometri, cu 4% mai mic decât valoarea obţinută anterior. 

În lumea fizicii particulelor, această diferenţă este foarte mare şi a stârnit controverse între savanţi, unii punând la îndoială acurateţea experimentelor sau interpretarea lor, alţii considerând că teoria – aşa-numitul model standard din fizica particulelor – are nişte lacune.

Cercetătorii din Germania au repetat experimentele, măsurând încă şi mai precis raza protonului, iar rezultatul a fost, iarăşi, cu 4% mai mic decât cel obţinut în experimentul cu hidrogen obişnuit.

Randolf Pohl, conducătorul echipei de la Institutul Max Planck, crede că ar putea exista trei explicaţii:

• experimentul ar putea avea erori, deşi aşa ceva nu prea e plauzibil, având în vedere că s-a obţinut în două rânduri aceeaşi valoare.
• apoi,  acest mod de măsurare – prin experimente care implică electroni – ar putea să nu fie de încredere.
• a treia şi cea mai incitantă posibilitate ar fi ca muonii să nu interacţioneze cu protonii în acelaşi mod în care o fac electronii; cu alte cuvinte, raza aparentă a protonului să se schimbe puţin, în funcţie de particula cu care interacţionează.

Dacă aşa stau lucrurile, acest fenomen ar implica existenţa unor particule necunoscute care influenţează modul în care muonul interacţionează cu protonul. Existenţa unor asemenea particule ar putea rezolva unele dintre problemele pe care le prezintă modelul standard al fizicii particulelor. 

De exemplu, ar putea furniza un „candidat” pentru materia neagră, misterioasa structură care alcătuieşte peste 80% din masa Universului.

În luna octombrie a anului trecut, la Trento, Italia, a fost organizată o conferinţă în cadul căreia  50 de experţi în studiul protonilor s-au întâlnit pentru a discuta detaliile problemei şi a încerca să ajungă la o concluzie.

„Deoarece experimentele care implică muoni par să fie de încredere, răspunsul cel mai popular este acela că ar există o altefel de fizică, dincolo de modelul standard, care determină diferenţele dintre muoni şi electroni, ceea ce ar fi foarte important,  a explicat Ron Gilman de la Universitatea Rutgers, SUA, aflat printre participanţi.

Dar un alt specialist, Gerald Miller, de la Universitatea Washington din Seattle, SUA, are o explicaţie alternativă, care poate împăca toate valorile obţinute fără a necesita existenţa unor noi particule, necunoscute. Astfel, conform electrodinamicii cuantice, două particule încărcate pot interacţiona schimbând între ele un foton.

Ecuaţiile ce descriu acest fenomen permit şi o interacţiune mai complexă, în care două particule creează doi fotoni şi „jonglează” cu ei. Deşi acest tip de interacţiune e considerat prea rar ca să fie important, Miller crede că masa mai mare a muonului îl face pe acesta să „jongleze” mai eficient cu fotonii. Acest lucru face interacţiunea sa cu protonul mai puternică şi face ca protonul să pară mai mic în raport cu muonul, fără a implica nicio lege nouă a fizicii.

Toate aceste ipoteze vor fi verificate în următorii ani prin noi experimente, inclusiv „bombardarea” protonilor cu muoni pentru a studia împrăştierea acestora şi „construirea” unor atomi de heliu cu muoni, pentru a măsura nivelurile de energie ale acestora.

Specialiştii speră ca, astfel, în doi-trei ani să aibă un răspuns definitiv privind mărimea protonilor.

Sursa: New Scientist