Φυσικοί στη Γερμανία πραγματοποίησαν την πιο ακριβή μέτρηση που έχει γίνει ποτέ για το πλάτος του πρωτονίου. Εξετάζοντας μια προηγουμένως ανεξερεύνητη μετάβαση ενεργειακής στάθμης στο άτομο του υδρογόνου, ο Lothar Maisenbacher και οι συνεργάτες του στο Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής Max Planck έδειξαν ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο συνεχίζει να αντέχει υπό εξαιρετικά αυστηρό έλεγχο, αφήνοντας ακόμη λιγότερο χώρο από πριν για αντίπαλες θεωρίες που έρχονται σε αντίθεση με την καλύτερη κατανόηση που έχουμε για τη συμπεριφορά του σύμπαντος.
Το μέγεθος ενός πρωτονίου
Μέχρι σήμερα, η κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED) είναι το πιο επιτυχημένο πλαίσιο που διαθέτουμε για την περιγραφή του τρόπου με τον οποίο το φως και η ύλη αλληλεπιδρούν σε θεμελιώδες επίπεδο.
Ως κεντρικός πυλώνας του Καθιερωμένου Προτύπου, αποτελεί μέρος της ευρύτερης προσπάθειας να περιγραφεί όλη η παρατηρήσιμη ύλη με όρους στοιχειωδών σωματιδίων και των θεμελιωδών δυνάμεων μέσω των οποίων αυτά αλληλεπιδρούν.
Για να παραμείνει βιώσιμη οποιαδήποτε θεωρία στη φυσική, οι προβλέψεις της πρέπει να επιβεβαιώνονται από πραγματικά πειράματα. Κατά τη διάρκεια δεκαετιών ολοένα και πιο ακριβών μετρήσεων, οι ερευνητές έχουν επανειλημμένα ελέγξει τις προβλέψεις της QED – συχνά με εντυπωσιακά παρόμοια αποτελέσματα. Ταυτόχρονα όμως, αναζητούν ακόμη και τις πιο μικροσκοπικές αποκλίσεις που θα μπορούσαν να υποδηλώνουν ρωγμές στο Καθιερωμένο Πρότυπο και να δείξουν προς μια νέα, ανεξήγητη φυσική.
Μια τέτοια δοκιμή περιλαμβάνει τη μέτρηση του πλάτους του πρωτονίου, ή «ακτίνα φορτίου». Τα τελευταία χρόνια, διαφορετικές πειραματικές τεχνικές έχουν δώσει ελαφρώς αντικρουόμενες τιμές για αυτή την ποσότητα, γεγονός που περιόρισε την ικανότητα των φυσικών να ωθήσουν τις δοκιμές της QED στην απόλυτη ακρίβειά τους.
Μετρήσεις με άτομα υδρογόνου
Στη μελέτη τους, η ομάδα του Maisenbacher ξεκίνησε να συσφίξει περαιτέρω τους περιορισμούς στην QED προσδιορίζοντας την ακτίνα φορτίου του πρωτονίου με πρωτοφανή ακρίβεια. Για τη μέτρησή τους, εξέτασαν την εγγενή σύνδεση μεταξύ του μεγέθους ενός πρωτονίου και των ακριβών θέσεων των ενεργειακών σταθμών του υδρογόνου.
Τα ηλεκτρόνια στα άτομα μπορούν να καταλαμβάνουν μόνο διακριτές ενεργειακές στάθμες και μεταπηδούν μεταξύ αυτών των επιπέδων απορροφώντας ή εκπέμποντας φωτόνια σε πολύ συγκεκριμένες συχνότητες. Οι ακριβείς τιμές αυτών των συχνοτήτων εξαρτώνται από το μέγεθος του πρωτονίου – αν και εξαιρετικά ανεπαίσθητα.
Λόγω της απλότητας του υδρογόνου, το πρότυπο των ενεργειακών σταθμών των ηλεκτρονίων του είναι πολύ λιγότερο περίπλοκο από ό,τι σε βαρύτερα άτομα, καθιστώντας το ιδανικό πεδίο δοκιμών για τις προβλέψεις της QED. Ωστόσο, στην ακραία ακρίβεια που απαιτείται, οι διαφορές στις πειραματικές τεχνικές και οι συσχετισμένες αβεβαιότητες μπορούν να προκαλέσουν αποκλίσεις μεταξύ των μετρήσεων. Αυτές οι ασυνέπειες κατέστησαν δύσκολη τη βελτίωση της ακτίνας του πρωτονίου και τον περαιτέρω έλεγχο της θεωρίας.
Πρωτοφανής ακρίβεια
Για να αντιμετωπίσει αυτή την πρόκληση, η ομάδα μέτρησε μια μετάβαση ενεργειακής στάθμης που δεν είχε εξερευνηθεί προηγουμένως σε αυτό το επίπεδο ακρίβειας: από τη διεγερμένη κατάσταση 2S του υδρογόνου στην ακόμα πιο διεγερμένη κατάσταση 6P. Επειδή η κατάσταση 2S είναι ασυνήθιστα μακρόβια σε σύγκριση με τις περισσότερες διεγερμένες καταστάσεις, παρέχει ένα σταθερό σημείο εκκίνησης.
Χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία λέιζερ υψηλής ακρίβειας, οι ερευνητές μέτρησαν τη συχνότητα του φωτονίου μετάβασης στα 730.690.248.610,7948 kilohertz: μόλις 0,0025 kilohertz μακριά από την τιμή που προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Από αυτό, εξήγαγαν μια ακτίνα φορτίου πρωτονίου 0,840615 femtometers – περίπου 2,5 φορές πιο ακριβή από οποιαδήποτε προηγούμενη τιμή που προέκυψε από μεταβάσεις ενεργειακής στάθμης υδρογόνου. Το αποτέλεσμα συμφωνεί με τη μικρότερη ακτίνα που βρέθηκε σε προηγούμενα πειράματα υδρογόνου, βοηθώντας στην επίλυση μακροχρόνιων ασυνεπειών.
Αυστηρότεροι έλεγχοι για το Καθιερωμένο Πρότυπο
Συνολικά, το πείραμα αντιπροσωπεύει μία από τις πιο αυστηρές δοκιμές μέχρι σήμερα της QED σε δέσμια ατομικά συστήματα. Καθώς το Καθιερωμένο Πρότυπο συνεχίζει να αντέχει σε τέτοιες ολοένα και πιο απαιτητικές δοκιμασίες, ο χώρος για εναλλακτικές θεωρίες συρρικνώνεται ακόμη περισσότερο. Εάν υπάρχει νέα φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, πρέπει τώρα να κρυφτεί μέσα σε ακόμη στενότερα περιθώρια – καθιστώντας τις πιθανές μελλοντικές ανακαλύψεις τόσο πιο δύσκολες όσο και πιο βαθιές.