Pommuudis füüsikas: prooton osutus arvatust väiksemaks

Max Plancki instituudi teadlased raputasid subatomaarse-teooria maailma pommuudisega, et nähtava aine põhiline komponent - prooton - on arvatust tunduvalt väiksem.

Algselt üritas 32 liikmeline Randolf Pohli juhitud töörühm vaid kinnitada ja täpsustada seda, mis oli teadusmaailmale juba tükk aega teada olnud — mõõta vesiniku abil prootoni raadiust. Aastakümneid on osakestefüüsikud kasutanud lihtsaimat aatomit selleks, et uurida kõikide aatomite ühte põhilist koostisosa — nii prootonit ja ka teisi subatomaarseid protsesse. Ajakirjas Nature ilmunud uurimuses seatakse aga fundamentaalsena tunduma hakanud suurus tõsise kahtluse alla ning senised tulemused võivad eksida nelja protsendiga, vahendab

Fyysika.ee

.

See ei tundu olevat väga suur viga, arvestades prootoni lõputult väikest suurust, ent tagajärjed võivad olla märksa grandioossemad. Autorite sõnul tekitaks leid ebakõlasid ka kvantelektrodünaamika (QED) poolt seatavates fundamentaalsetes ettekirjutustes. Seda muidugi juhul, kui teistes sõltumatutes laborites eksperimendi tulemusi korratakse. “Me ei kujutanud ette, et teadatuntud mõõtmistulemuste ning meie oma vahel nii suur erinevus on,” tunnistab uurimuse kaasautor, Paul Indelicato, Pierre- ja Marie Curie ülikoolist.

Seni oli parim prootoni raadiuse hinnang 0,877 femtomeetrit [10*-10·; toim.], määramatusega 0,007 fm, ent uus mõõteviis on vanast kümme korda täpsem. Töörühm teostas mõõtmisi viimased 12 aastat, kuid esimesed vihjed anomaalsest tulemusest hakkasid endast märku andma kuus aastat tagasi, alates millest on mõõtmistehnikaid paremaks muudetud. Tegelikult pakuti mõõteviisi kontseptsioon välja juba 40 aastat tagasi, kuid toonane tehnoloogia seda läbi viia ei võimaldanud. Eksperimendis asendatakse vesiniku aatomi elektron negatiivse müüoniga, millel on samasugune elektrilaeng, ent on elektronist 200 korda raskem ja seega ka ebastabiilsema orbiidiga.

Suurema massi tõttu on ka aatomi diameeter väiksem ning müüon mõjutab prootonit rohkem. (Müüon on niivõrd raske, et veedab osa aega isegi prootoni enda sees.) See võimaldab aga omakorda prootoni struktuuri täpsemalt uurida. Seni on aatomi raadiust mõõdetud peamiselt kahel viisil — rebides vesiniku aatomilt elektrone ja jälgides pingsalt vesiniku aatomite energiatasemete erinevust, mida nimetatakse ka Lambi nihkeks. Lambi nihe ilmneb kui, kui aatomi ümber tiirlev osake ning prootoni kvargid omavahel reageerivad.

Töörühm kasutas nihke mõõtmiseks Šveitsis asuva Paul Scherreri instituudi prootonitekiirendit, et tekitada müüonite kiir, mis tulistati seejärel vesiniku gaasipilve. Kui müüon vesiniku molekuliga kokku põrkab, lööb see aatomid teineteisest eemale ning asendab ühe elektroni. Tekib müüonvesinik.

Umbes 1% juhtudest leiab müüon ennast aga 2S energiatasemel, kust seda saab ergastada laserkiire abil 2P tasemele. Kui 2P aga seejärel laguneb, kiirgab ebaharilik ühend röntgenkiiri. Kiiratavate röntgenkiirte arvu ning laserisageduse andmete abil on aga kvantelekrodünaamika keeruliste võrrandite abil leida prootoni raadius, milleks uute arvutuste kohaselt on 0.8418 femtomeetrit.

Uurimuses mitteosalenud Suurbritannia riikliku füüsikalabori teadlase Jeff Flowersi arvates võib ebakõla põhjustada kolm võimalust. Arvatavasti on QED küll õige, kuid seda on “raskete arvutuste” tegemiseks valesti rakendatud. Lisaks võib olla eksperimendiga probleeme, kuigi viimast ta eriti ei usu. Lõppude-lõpuks jääb ka alati meeli erutavaim võimalus, et QED alused on tegelikult valed.

Kuigi QED-i matemaatilised alused on nõrgad, on selle abil senini väga edukalt eksperimentide tulemusei suudetud ennustada. “QED-i muutmine tähendaks füüsikutele suurt filosoofia muutust,” arvas Flowers. Töörühma tulemused on põhjustanud juba nii teoreetikute kui ka eksperimentaatorite seas märgatavat saginat. Mõned füüsikud kontrollivad hoolikalt Lambi nihke arvutusi, mil teised üritavad täiustada elektronipõhiseid prootoni raadiuse mõõtmise viise.

Samal ajal kordab Pohli töörühm kahe aasta pärast oma eksperimenti müüonheeliumiga, et mõõta heeliumi tuuma raadius. Igaljuhul peavad füüsikud tõsist selgitustööd tegema. “Teoreetikud peavad oma võrrandid üle vaatama ning tuleb teha rohkem eksperimente, et avastust kinnitada või ümber lükata,” ütleb Indelicato.