Reprezentare grafică a sarcinii culoare a quarcurilor
Pe coperta numărului din 8 iulie 2010 a prestigioasei reviste Nature a apărut un articol despre un rezultat surprinzător din fizica particulelor elementare: raza protonului este cu 4% mai mică decât se credea! Această ştire a dat fiori fizicienilor!
Teoria Modelului Standard este precisă la cel puţin o zecime de procent. Descrierea lumii subatomice va trebui revizuită în consecinţă.
Suntem deja familiari cu ideea că totul din jurul nostru este format din atomi, care sunt formaţi la rândul lor din câte un nucleu în jurul cărora se învârt electroni. Nucleele sunt formate şi ele din protoni şi neutroni.
Aşadar nucleele nu sunt punctiforme, ci au o rază şi un volum. Dar nici protonii şi neutronii nu sunt punctiformi, ci fiecare are o rază şi un volum. Asta pentru că atât protonul, cât şi neutronul posedă o anumită structură. Sunt constituiţi din câte trei particule elementare denumite quarcuri, care schimbă între ei alte particule denumite gluoni. Protonul are aşadar o rază care este dată de structura sa şi de mişcările particulelor elementare din interiorul său.
Un singur proton reprezintă şi cel mai mic nucleu atomic întâlnit în natură. Este vorba de însuşi nucleul de hidrogen, aşadar un proton în jurul căruia se învârte un electron formează atomul de hidrogen. Spre deosebire de majoritatea atomilor care sunt creaţi în stele (stelele transformă hidrogenul şi heliul în atomi mai grei), atomii de hidrogen au luat naştere imediat după Big Bang prin acelaşi mecanism care a dus la apariţia Universului nostru. Spre deosebire de proton, electronul nu are o structură, ci este o particulă elementară, cu rază zero şi volum zero.
Raza protonului a fost măsurată precis acum aproximativ 40 de ani şi de atunci nu a mai fost revizuită. Iată însă că un experiment nou, de zece ori mai precis, a fost finalizat recent, după doisprezece ani de muncă, dintre care şase dedicaţi numai verificării incredibilului rezultat observat: raza protonului este cu 4 procente mai mică decât valoarea măsurată în trecut. În condiţiile în care teoriile fizicii particulelor elementare sunt precise la a treia zecimală, o diferenţă la zecimala a doua este şocantă şi retrimite fizicienii, teoreticieni şi experimentatori deopotrivă, la foaia de hârtie, respectiv la acceleratoarele de particule.
Ce este miuonul şi cum a ajutat el la această măsurătoare?
Miuonul este o altă particulă elementară. Este de fapt tot un fel de electron, numai că de aproape 200 de ori mai masiv. Are tot sarcină electrică negativă. La fel ca în cazul electronului, raza şi volumul sunt zero. Dar dacă un electron este stabil, un miuon „moare” după cam 2 milionimi de secundă, dispărând şi lăsând în urma sa un electron şi doi neutrino.
E suficient să înţelegem că un miuon este un electron mai masiv, instabil, care se dezintegrează într-un electron şi alte particule după un timp foarte scurt la scară cotidiană, dar foarte mare pentru lumea subatomică.
Atât de mare, încât o echipă internaţională de fizicieni condusă de Randolf Pohl de la Institul Max Planck pentru Optică Cuantică din Garhing, Germania, a reuşit să creeze cu ajutorul unui accelerator de particule de la Institutul Paul Scherrer din Elveţia (CERN nu are singurul accelerator de particule din Elveţia!) un fascicul de miuoni cu care au bombardat un recipient ce conţinea atomi de hidrogen. Câteodată un miuon disocia o moleculă de hidrogen în doi atomi de hidrogen, unuia dintre atomi "dislocându-i" electronul, al cărui loc era luat chiar de către miuon!
Cum miuonul este o rudă apropiată a electronului, una mai masivă şi cu un timp de viaţă mai mic, iată că se poate crea un nou tip de atom, un aşa-numit hidrogen miuonic, în care în jurul protonului se învârte un miuon, şi nu un electron. Dacă atomul obişnuit de hidrogen "trăieşte" la infinit, atomul cu miuon există doar pentru aproximativ două milionimi de secundă.
Dar cum este vorba despre un interval de timp mare pentru lumea subatomică, fizicienii au timp suficient pentru a studia interacţiunea dintre proton şi miuon. Cum miuonul este de circa 200 de ori mai masiv decât electronul, el va fi dispus mult mai aproape de proton în cadrul noului tip de atom decât este dispus electronul în cadrul atomului obişnuit de hidrogen, detaliu care a permis măsurarea razei protonului mult mai precis ca până în prezent. Iar rezultatul a fost unul surprinzător: raza protonului era, în fapt, una supradimensionată cu 4%. Acest rezultat cere fizicienilor să revizuiască parametrii teoriei fizicii particulelor şi, pe cale de consecinţă, predicţiile pe care această teorie le face. Va influenţa acest rezultat experimentele de la acceleratorul LHC? Rămâne de văzut continuarea acestei poveşti ...
Un lucru care merită subliniat este faptul că experimentul s-a desfăşurat pe durata a şase ani, alţi şase ani fiind necesari ulterior finalizării primei etape pentru ca echipa de fizicieni să verifice în cele mai mici detalii măsurătorile efectuate care au condus la acest rezultat foarte surprinzător. Iar acest lucru spune multe despre câtă atenţie dedică oamenii de ştiinţă muncii lor înainte de a face public un rezultat.
