โปรตอนสามารถเต้นบนหัวพินได้กี่ตัว? คำตอบนั้นไม่มีที่ไหนใกล้ตรงไปตรงมาอย่างที่คิด-และอาจนำเสนอข้อมูลเชิงลึกใหม่ ๆ ในทฤษฎีที่ผ่านการทดสอบมากที่สุดในฟิสิกส์
เมื่อไม่นานมานี้ทีมนักวิทยาศาสตร์ระหว่างประเทศพยายามค้นหาขนาดที่แท้จริงของโปรตอนส่วนผสมหนึ่ง (พร้อมกับนิวตรอนและอิเล็กตรอน) ของอะตอมที่สร้างร่างกายของเราและโลกรอบตัวเรา
การรายงานในสัปดาห์นี้ในวารสารวิทยาศาสตร์นักวิจัยพบว่ารัศมีของอนุภาคคือ 0.84087 femtometers femtometer เป็นหนึ่งในล้านของพันล้านเมตรหรือเล็กมากจนความยาวคลื่นของรังสีแกมม่ายาวกว่า 100 เท่า การวัดใหม่มีประมาณ 4 percentsmaller กว่ารัศมีที่ได้รับการยอมรับในปัจจุบันที่ 0.8768 femtometers และความแตกต่างเล็กน้อยนั้นนำเสนอปริศนา
หากขนาดที่เล็กกว่านั้นถูกต้องก็มีบางอย่างที่ขาดหายไปในความเข้าใจของนักฟิสิกส์เกี่ยวกับควอนตัมอิเล็กโทรดนิกส์ซึ่งควบคุมการโต้ตอบเบาและสสาร-
ข้อผิดพลาดของโปรตอน?
Aldo Antognini นักฟิสิกส์ของสถาบันเทคโนโลยีแห่งสหพันธรัฐสวิสและผู้เขียนบทความแรกบอกกับ Livescience ว่าความแตกต่างอาจหมายถึงหนึ่งในสามสิ่ง
อย่างแรกคือมีข้อผิดพลาดบางอย่างในงานก่อนหน้านี้แม้ว่าจะไม่น่าจะได้รับการทดลองหลายครั้งซ้ำ ๆ
ความเป็นไปได้ที่สองคือการคำนวณบางส่วนสำหรับขนาดของโปรตอนหายไป “ บางทีเราอาจไม่เข้าใจโครงสร้างโปรตอนอย่างเต็มที่” Antogninisaid
คำอธิบายที่สามคือทฤษฎีปัจจุบันของควอนตัมอิเล็กโทรดผิดแม้ว่าโอกาสที่จะเพรียวบางเนื่องจากทฤษฎีทำงานได้ดีมากและได้รับการทดสอบหลายครั้ง -Wacky Physics: อนุภาคเล็ก ๆ ที่เจ๋งที่สุดในธรรมชาติ-
ผลลัพธ์นี้ไม่ใช่ครั้งแรกที่ความคลาดเคลื่อนปรากฏขึ้น ในปี 2010 Antognini ทำงานร่วมกับทีมนานาชาติที่นำโดย Randolf Pohl จาก Max Planck Institute of Quantum Optics ใน Garching ประเทศเยอรมนีพบว่ารัศมีโปรตอนดูเหมือนจะเป็น 0.84185 femtometers
วิธีวัดโปรตอน
เพื่อค้นหาขนาดของนักวิทยาศาสตร์โปรตอนได้ใช้สามวิธี หนึ่งคือการกระเจิงของอิเล็กตรอน: การยิงอิเล็กตรอนที่มีประจุลบที่นิวเคลียสไฮโดรเจนที่มีประจุบวก (โปรตอน) และวัดว่าพวกมันถูกเบี่ยงเบนไปอย่างไร รูปแบบการกระจัดกระจายสามารถให้ความคิดว่าภูมิภาคของประจุบวกมีขนาดใหญ่เพียงใด
วิธีที่สองคือการวัดจำนวนพลังงานที่ใช้ในการรับอิเล็กตรอนเพื่อย้ายไปยังภูมิภาควงโคจรที่แตกต่างกันรอบ ๆ นิวเคลียสอิเล็กตรอนมักจะอยู่ในภูมิภาคนั่นคือระยะทางที่แน่นอนจากนิวเคลียส เพิ่มพลังงานของพวกเขาและพวกเขาตื่นเต้นและย้ายไปยังภูมิภาคอื่นเรียกว่าวงโคจร จากนั้นอิเล็กตรอนก็กลับเข้าไปในรัฐที่ไม่ได้รับการยอมรับและปล่อยโฟตอน โดยการดูอย่างใกล้ชิดว่าต้องใช้พลังงานเท่าใดในการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนจากวงโคจรหนึ่งไปยังพลังงานที่สูงกว่าและความยาวคลื่นของโฟตอนที่ปล่อยออกมาเมื่ออิเล็กตรอนลดลงกลับไปสู่วงโคจรพลังงานต่ำกว่านั้นเป็นไปได้ที่จะประเมินขนาดของโปรตอน
สุดท้ายวิธีที่ใช้ในชุดการทดลองล่าสุดเกี่ยวข้องกับ Muonic Hydrogen ซึ่งเป็นโปรตอนที่มี muon แทนที่จะเป็นอิเล็กตรอนโคจรรอบมัน เหมือนอิเล็กตรอนมูอนถูกเรียกเก็บเงินในเชิงลบแต่หนักกว่า 207 เท่า นั่นหมายความว่าพวกเขาบินเข้าใกล้โปรตอนมากขึ้นและใช้พลังงานมากขึ้นในการย้ายพวกมันไปยังวงโคจรพลังงานที่สูงขึ้น ความแตกต่างของพลังงานที่มากขึ้นทำให้การวัดง่ายขึ้น การยิงเลเซอร์ที่ไฮโดรเจน Muonic ทำให้มูอนเคลื่อนย้ายไปยังวงโคจรที่แตกต่างกัน จากนั้นมูอนก็กลับไปสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่าเปล่งโฟตอนเอ็กซ์เรย์
สองวิธีแรกที่ใช้มานานหลายทศวรรษได้มาพร้อมกับค่าที่ใหญ่กว่าสำหรับรัศมีของโปรตอน วิธีหลังซึ่งนักวิทยาศาสตร์กล่าวว่ามีความไม่แน่นอนน้อยกว่าพบวิธีที่เล็กกว่า อย่างไรก็ตามการคำนวณเหล่านี้ค่อนข้างซับซ้อน
การวัดโปรตอนใหม่
ทีมของ Antognini ดำเนินการทดลองที่ Paul Scherrer Institute ในสวิตเซอร์แลนด์ไม่เพียง แต่การทดลอง Muonic Hydrogen เป็นครั้งที่สองเท่านั้นพวกเขายังได้ทำตามขั้นตอนเพื่อให้แน่ใจว่าการวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้น ความคลาดเคลื่อนยังคงอยู่ “ บางทีอาจมีบางอย่างในโครงสร้าง [โปรตอน] ที่เน้นโดยมุนเท่านั้น” Antognini กล่าว -แปลก: ปรากฏการณ์ 10 อันดับแรกที่ไม่ได้อธิบาย-
นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมค่าใหม่จึงพิสูจน์ความลึกลับเช่นนี้ Quantum Electrodynamics (QED) อาจถูกต้องและก็ไม่น่าเป็นไปได้ว่าการทดลองก่อนหน้านี้ผิดไปมากเนื่องจากข้อผิดพลาดง่าย ๆ ผู้เชี่ยวชาญกล่าว
“ อาจมีเงื่อนไขที่ขาดหายไปในการคำนวณ” เฮเลนมาร์โกลิสนักวิทยาศาสตร์การวิจัยที่ห้องปฏิบัติการทางกายภาพแห่งชาติในสหราชอาณาจักรซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยกล่าว "QED ได้รับการทดสอบในระดับที่เหลือเชื่อ แต่รากฐานทางคณิตศาสตร์ไม่ปลอดภัยเท่าที่คุณต้องการ"
Chad Orzel รองศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์ที่ Union College และผู้เขียน "วิธีการสอนฟิสิกส์ให้กับสุนัขของคุณ" (Scribner, 2010) กล่าวว่าผลลัพธ์นั้นดีสำหรับฟิสิกส์โดยทั่วไปเนื่องจากคำถามที่พวกเขาตั้งขึ้น “ มันน่าเบื่อจริงๆเมื่อการวัดและทฤษฎีทั้งหมดเห็นด้วยซึ่งกันและกันความขัดแย้งแบบนี้ทำให้เราพูดถึงสิ่งนั้นไม่ใช่ Higgs Boson”
หมายเหตุของบรรณาธิการ: บทความนี้ได้รับการปรับปรุงเพื่อแก้ไขคำจำกัดความของ femtometer
ติดตาม Livescience บน Twitter@livescience- เรายังอยู่ด้วยFacebook-Google+-
