Enigma Dimensiunii Protonului: O Nouă Perspectivă în Fizica Cuantică

“Fizicienii sunt de părere că acesta este ultimul cui în sicriul enigmei dimensiunii protonului,” a declarat Lothar Maisenbacher, de la Universitatea din California, Berkeley, coautor al unui studiu publicat recent în revista Nature.

De peste 15 ani, comunitatea fizicienilor a fost divizată de măsurători contradictorii ale razei de sarcină a protonului din atomul de hidrogen. Unele rezultate confirmă previziunile celor mai solide modele teoretice, în timp ce altele sugerează că protonul este mai mic decât se anticipa. Această discrepanță a deschis calea către posibilitatea unor noi descoperiri fizice inedite. Cu toate acestea, dezbaterile par să se stingă odată cu cele mai recente măsurători experimentale, descrise în două lucrări publicate în revistele Nature și Physical Review Letters.

Conform noilor descoperiri, dovezi inclină acum spre un proton cu rază mai mică, reducând astfel posibilitatea de noi fizici. Modelul Bohr, deși frecvent criticat în popularizările despre structura atomului, în care electronii se mișcă în orbite circulare în jurul nucleului, este depășit de descrierea oferită de mecanica cuantică. În realitate, electronii nu orbitează nucleul; ei sunt mai degrabă unde care își asumă proprietăți particulare când sunt măsurate pentru a determina poziția lor. În timp ce orbitează un atom, aceștia există într-o suprapunere de stări, fiind simultan particulă și undă, cu o funcție de undă ce cuprinde toate probabilitățile poziției lor simultane. O măsurătură colapsează funcția de undă, revelând poziția electronului. Repetând astfel de măsurători și plasând diferitele poziții rezultate, se obține un model asemănător unei orbite difuze.

Bizara natură cuantică se extinde și la proton, care este tehnic format din trei quarkuri încărcate, legate împreună de forța nucleară puternică. Dar și protonul este difuz, asemenea unui nor. Cum putem vorbi atunci despre raza unui nor? Fizicienii se bazează pe densitatea de sarcină pentru a face acest lucru, asemenea densității moleculelor de apă într-un nor. Raza protonului este distanța la care densitatea de sarcină scade sub un anumit prag energetic. Aceasta poate fi măsurată studiind cum electronul interacționează cu protonul, fie prin experimente de dispersie a electronilor, fie utilizând spectroscopia cu electroni sau muoni pentru a examina diferența dintre nivelele energetice atomice („saltul Lamb”). Fuziunea combinată a electronului și protonului înseamnă că electronul poate fi oriunde în acea regiune, inclusiv în interiorul protonului.

Atomii de hidrogen, fiind cele mai simple nuclee cu un singur proton orbitat de un electron, sunt folosiți adesea de fizicieni în experimentele lor pentru a măsura raza de sarcină a protonului. Mult timp, valoarea acceptată a fost de 0.876 femtometri, o „medie mondială” a multor măsurători diferite, cu bare de eroare suficiente pentru a permite măsurători viitoare.

Măsurătorile spectroscopiei cu muoni au provocat inițial problema în 2010. Fizicienii speră acum că noile descoperiri vor pune capăt dezbaterilor și vor consolida înțelegerea noastră asupra structurii fundamentale a materiei.

Sursa: Ars Technica

Știință&Tehnică

Revista “Ştiinţă şi Tehnică“, cea mai cunoscută şi longevivă publicaţie de popularizare a ştiintelor din România