A német Max Planck Kvantumoptikai Intézet kutatói nemrégiben egy lépéssel közelebb kerültek a részecskefizika egyik nagy rejtélyének megfejtéséhez, amely az utóbbi 10 évben vált nyilvánvalóvá. Alapesetben, amikor megmérünk valamit, ugyanazt az eredményt várjuk, bármivel is végezzük a mérést. Egy üdítősdoboz átmérője nem változik meg attól, hogy mérőszalaggal vagy tolómérővel mérjük (ha előtte mindkettőt kalibráltuk).
Ha a felszereléstől függően eltérő eredményeket kapunk, az azt jelenti, hogy valami gond van. Pontosan ez történt a proton térbeli kiterjedésének mérése során. Ami azért problémás, mert az eltérő eredmények azt sugallják, hogy valami alapvetővel nem vagyunk tisztában a világ építőköveivel kapcsolatban. A legújabb kísérletek alapján ez a kép kicsit világosabbá vált, de Alexey Grinin és kollégái még mindig úgy vélik, hogy a háttérben akár egy mostanáig ismeretlen kölcsönhatás is állhat.
Szubatomi méricskélés
De mit is jelent a szubatomi részecskék világában a „méret”? Matematikailag az elemi részecskék pontszerűként modellezik, vagyis nincs térbeli kiterjedésük és szerkezetük sem. Ugyanakkor minden elemi részecske egy kvantummechanikai hullámcsomagnak van megfeleltetve, aminek viszont van térbeli kiterjedése: ez a részecske energiájától függ.
Az elemi részecskéket a periódusos rendszerhez hasonló táblázatban tartják nyilván, amely különböző kölcsönhatások közvetítőit tartalmazza, például fotonokat és gluonokat (az erős magerők közvetítőit), valamint kvarkot, leptonokat és a Higgs-bozont. Ezekből aztán mindenféle magasabb rendű, szubatomi részecskék kombinálhatók össze.
Közülük az egyik legismertebb a proton, amelyből minden kémiai elemben van legalább egy. A proton két up (vagy felső) kvarkból és egy down (vagy alsó) kvarkból áll, amelyek összetett rendszerben, szoros pályákon keringenek egymás körül, miközben gluonokat cserélgetnek. A gluonok átadása olyan nagy energiájú folyamat, hogy a proton tömegének java ebből, vagyis a gluonok által tárolt energiából származik. (Ahogy Einstein óta tudjuk, a tömeg és az energia között összefüggés van.)
A proton esetében így már lehet méretről is beszélni, és érdemes is, hiszen ezek a részecskék teszik ki az anyag tetemes részét. Grinin és kollégái vizsgálata ugyanakkor megerősíti, hogy ez mennyire összetett probléma. Eredményeik ugyanis ismét igazolták azt a tényt, hogy különböző mérési módszerekkel eltérő méret jön ki a proton kapcsán.
Töltésrádiusz, müonok és elektronok
Az egyik lehetséges megközelítése a méret meghatározásának a töltésrádiusz, ami nagyjából a kvarkok keringési pályasugarainak átlaga. Ezt különböző módokon, elektronok és müonok útján mérik, azt vizsgálva, hogy mi történik, ha ezek összekapcsolódnak a protonnal. Az elektronnal együtt ilyenkor atomi hidrogén, a müonnal pedig müonikus hidrogén jön létre. Mivel a müonok 200-szor nehezebbek az elektronoknál, legalacsonyabb energiaállapotú pályájuk sokkal közelebb van a protonhoz, mint az elektronoké az atomi hidrogénekben.
Ebből egyúttal az is következik, hogy a müon által elfoglalható energiájú pályák sokkal érzékenyebbek a proton méretére, mint az atomi hidrogén elektronja.
Előbbi pályák közti átjárásnál ráadásul magasabb, 200-szoros energiájú sugárzás adódik le. Ezek a frekvenciák az úgynevezett Rydberg-állandóval vannak összefüggésben, amely a proton méretével kapcsolatos bizonytalanságok egyik fontos lehetséges forrása. A pályák energiaszintjei ettől és a proton töltésrádiuszától függnek.
A proton mérésével kapcsolatban évtizedekig nem volt semmi probléma. A különböző módszerek, például a proton körül keringő elektron viselkedésének vizsgálata, vagy a protonok nagyenergiájú elektronokkal való bombázása, és ezek szóródásának megfigyelése nagyon hasonló eredményt hozott. Az eredmény nagyjából 0,875 (±0,006) femtométer volt, ami egy kicsit kevesebb, mint a méter egybilliárdod része.
Kezdődnek a gondok
Ez a harmónia egy 2010-es tanulmánnyal kezdett megbomlani, amely A proton mérete címet viselte. A szerzők ugyanis arról számoltak be, hogy a müonikus hidrogén pályakonfigurációinak vizsgálata 0,842 (±0,001) femtométert adott eredményül a töltésrádiuszra. Ez pedig nagy gondnak tűnt, mivel a két eredmény bőven egymás hibahatárán kívül van, még akkor is, ha nagyon kicsi a különbség.
Az anomáliára két magyarázat létezik, amennyiben feltételezzük, hogy a használt eszközök működésével és kalibrációjával, illetve a kísérlet összeállításával minden rendben volt. Az egyik, hogy menet közben használt állandók valamelyike nem annyira pontos, mint ahogy gondoljuk.
A másik, hogy a müonok másként kerülnek kölcsönhatásba a protonnal, mint az elektronok, ami azt jelentené, hogy a részecskefizikai sztenderd modell hiányos.
Az utóbbi lehetőség gyakorlatilag azt jelentené, hogy egyelőre nem ismert kölcsönhatások és ezeket közvetítő részecskék léteznek a világban, ami átformálhatja a világegyetemről alkotott tudásunkat. Az elmúlt években több kutatócsoport is megpróbált a rejtély mélyére hatolni, és meghatározni a proton méretét. Egy 2019-es, a Rydberg-állandótól független számításokat végző kanadai vizsgálat 0,833 (±0,010) femtométert adott eredményül, ami összehangban van a müonikus hidrogénnel kapcsolatos 2010-es eredménnyel.
Közeledő álláspontok
Grinin csapata azonban még egy nagy lépéssel továbbment. Egy frekvenciafésűs spektroszkópia nevű módszerrel dolgoztak, amely során különböző, egymással szuperpozícióban levő frekvenciájú lézerpulzusokat használtak az atomi hidrogén két különböző pályaátmenetének vizsgálatára. Ilyen módon a proton méretét és a Rydberg-állandót is példátlan pontossággal tudták meghatározni.
A töltésrádiusz a müonikus hidrogén kapcsán mértnek felelt meg, a korábbinál pontosabb Rydberg-állandóval pedig valamelyest csökken az atomi hidrogénen végzett, elvileg pontatlanabb mérések és a müonikus mérések közötti eltérés. Ennek nyomán a kisebb értéket már el is fogadták hivatalosnak a proton méretére.
Mindez azt jelenti, hogy az egyre finomodó módszerekkel arra nem találtak bizonyítékot, hogy a háttérben valamiféle újfajta fizika rejtőzne.
Az ugyanakkor továbbra is rejtély, hogy a különböző spektroszkópos technikák miért adnak az atomi hidrogén töltésrádiuszára ennyire eltérő eredményeket. Ez pedig a részecskefizikusok szerint még azt is jelentheti, hogy mégis van valami ismeretlen tényező, amiről nem tudnak.
Ez elég indok is volt egy kanadai kutatócsoportnak ahhoz, hogy egy új tanulmánysorozatban minden olyan elméleti lehetőséget felsoroljanak, amely az atomi spektroszkópiában a bizonytalanságok forrása lehet. Ebben többek közt új részecskékről és kölcsönhatásokról is értekeznek, amelyek potenciális felderítése innentől ismét a kísérleti fizikusok feladata lesz.
