Od jakiegoś czasu z laboratoriów optyki kwantowej wychodzą wyniki pomiarów różnych stałych fizycznych, wyniki które wzbudzają duży niepokój wśród teoretyków zajmujących się elektrodynamiką kwantową.
Mam na myśli nowe pomiary promienia/średnicy elektronu i protonu. W zderzeniach traktowanych klasycznie, elektron zachowuje się jak kulka o promieniu 2,817 940 2894 x 10-15 m (klasyczny promień elektronu).Jednak przecież, jest to założenie teoretyczne, a nie fakt.
Natomiast doświadczenia z pułapkowaniem elektronów w polu magnetycznym wykazały , że promień elektronu jest mniejszy niż 10E(−22) m.Tak wielka różnica dowodzi ,że klasyczne pojęcie rozmiaru liniowego elektronu nie ma sensu.
Wszystkie dotychczasowe eksperymenty rozpraszenia elektronów na elektronach przemawiają za tym ,że elektron nie ma struktury wewnętrznej, a tym samym rozmiarów liniowych.
Z protonem jest nieco lepiej.
Od dawna, akceptowana była (zobacz- CODATA)wartość promienia protonu – 0,8768(69)x 10-15 m.
Stosowano równolegle dwie metody pomiaru tej wielkości.
Pierwsza , to rozpraszanie wiązek elektronów na protonach.
Druga ,badanie poziomów energetycznych elektronu w atomie wodoru i stąd obliczanie rozmiarów przestrzennego rozkładu ładunku elektrycznego protonu, a ten przestrzenny rozkład traktujemy jako objętość protonu.
Mierząc precyzyjnie poziomy energetyczne atomu wodoru i ich układy [orbitale], wyznaczymy rozmiary chmury ładunku dodatniego protonu.
Schemat eksperymentu jest taki.
Strzelamy promieniem laserowym w atom tak, by jakiś elektron przeskoczył na wyższy poziom energetyczny.Wyższe poziomy są niestabline.Elektron powraca więc do stanu niskiej energii i jednocześnie uwalnia promieniowanie X, którego częśtotliwość zależy także od rozmiarów protonu [ jądra atomu wodoru ].
Przez dziesiątki lat , te dwie metody, dostarczały tę samą wartość (w granicach błędu doświadczalnego) dla promienia protonu. Metody są niezależne,więc poziom zaufania do nich był bardzo wysoki.
Stanowisko to było wzmocnione hipotezą struktury wewnętrznej protonu ( kwarkowo-gluonową).
Ale 5 lipca 2010 r. międzynarodowy zespół naukowców, kierowany przez R.Pohla z Instytutu Optyki Kwantowej im.Maxa Plancka w Garching [Niemcy], przeprowadził pomiary (1) z udziałem egzotycznych atomów wykonanych z protonu i ujemnie naładowanego mionu ,uzyskując wynik r p = 0,84184 (67)x10-15 m.
Wynik różnił się od podawanego przez CODATA przez dziesiątki lat o 0,035 [ok.4 % mniejszy promień protonu]i był jednocześnie 5-krotnie większy od odchylenia standardowego pomiaru.Miał więc istotne znaczenie.
W 2013 roku, w akceleratorze cząstek znajdującym się w Federalnym Instytucie Paula Scherrera w szwajcarskim Villigen, uzyskano[2] zbliżony, nowy wynik: 0,84087(39) femtometrów.
Federalny Instytut Paula Scherrera,Villigen,Szwajcaria
Cyklotron w Federalntm Instytucie Paula Scherrera,Villigen,Szwajcaria
Kilka zdań o idei tej metody, ustalenia nowej wartości promienia protonu,po zasrosowaniu której ,elektrodynamika kwantowa i cały Model Standardowy zaczęły się trząść jak liście na silnym wietrze.
Mion to „cięzki” elektron - można przeczytać w tabloidalnej popularyzacji fizyki współczesnej.A dokładnie: jest to fermion odkryty w 1937 przez C.D.Andersona,o masie ok.207 większej od masy elektronu,występujący w dwóch stanach ładunkowych.
Mion ujemny ma własności podobne do własności elektronu,chociaż jest bardziej nietrwały od niego [ czas zycia τ=2,2×10–6 s].
Można wykorzystać tę cząstkę elementarną do konstrukcji atomów ,w których elektrony będą zastąpione mionami ujemnymi.
Już nie jeden raz usyskano taki atom quasi-wodoru,wprawdzie na chwilę,ale podczas jej trwania wiele można zaobserwować i zbadać!
Mionowy atom wodoru [Muonic Hydrogen - MU ] ma proton za jądro,a wokół niego krąży mion ujemny.
Ponieważ mion ma masę większą od masy elektronu ,to jego orbitale znajdują się bliżej jądra/protonu, a nawet nurzają się w chmurze jego ładunku dodatniego.
Impulsami laserowymi przerzucano mion ze stanu 2s do stanu 2p bardzo nietrwałego i mion natychmiast spadał emitując promienie X ,a pomiar dotyczył tzw. przesunięcie Lamba.Znając jego wartość obliczano średnicę ładunku protonu.
Zespół R.Pohla w Garching do dzisiaj wykonał ok.2000 pomiarów promienia protonu,zespół A.Antogniniego – kilkaset.
Mamy więc do czynienia z obiektywnym faktem doświadczalnym: proton jest mniejszy od tej wartości, na której zbudowana są: spektroskopia atomowa,elektrodynamika kwantowa i Model Standardowy.
Szereg fundamentalnych stałych fizycznych jest związanych z wielkością protonu,np. stała Rydberga.Skoro proton się „skurczył” to i te stałe fundamentalne zmieniają swoje wartości.Nie muszę specjalnie dowodzić ,że w następstwie elektrodynamika kwantowa traci korepondecję z empirią.A to nie jest dobrze dla zaufania do jej twierdzeń.
Nie mogę wyliczyć wszystkich poważnych fizyków ,którzy nie kryją niepokoju i mówią wręcz o kryzysie fizyki mikroświata ,który to kryzys jest skutkiem najnowszych pomiarów średnicy protonu.
Zapoznałem się z teoretycznymi analizami sytaucji w pracach : G.Millera z Seattle,R.Pohla z Garching,R.Gilmana z Rutgers University (New Jersey),J.Chorycha z Bazylei,oraz C.Carlsona z Williamsburga(Wirginia).
U wszystkich znalazłem zblizone przekonanie,że pola kwarkowo-gluonowe według modelu asymptotycznej swobody D.Grossa-D.Politzera-F.Wilczka, nie dają sensownego uzasadnienia „skurczenia się „ protonu (shrinking proton) w obecności mionu ujemnego na orbicie .
Toteż z zainteresowaniem przyjęto wystąpienie dwóch młodych fizyków –teoretyków z kanadyjskiego Perimeter Institute for Theoretical Physics: D.Tucker-Smitha,oraz I.Yavina , którzy w pracy [4] wysunęli hipotezę istnienia nieznanego oddziaływania i kwantów tego pola,by nastepnie za pomocą tej hipotezy otrzymać rozwiązanie zagadki kurczenia się protonu.
I.Yavin (zdjęcie Mina Ao)
I nie tylko.
Dodatkowo nawet stała giromagnetyczna „g” dla mionu, w ramach tego modelu ma wartość lepiej zgodną z doświadczalnie wyznaczoną, aniżeli to jest w ramach Modelu Standardowego.
Później dołączył do Yavina, Maxim Pospielow z kolegami [5].
M.Pospielow
Mając duże doświadczenie w badanich kosmologicznych, rozwinął hipotezę nowego rodzaju oddziaływania sugerując ,że jego kwanty mogą być substancją przejściową,pośrednią między materią, a ciemną materią.
Pospiełow pokazał matematycznie , że z modelem nowej siły można związać niefizyczne rozwiązania równań J.C.Maxwella ( znane od dawna), które mogą prowadzić do hipotezy istnienia „ciemnych „ fotonów i „ciemnego” światła.
A tutaj już jesteśmy przy centralnej hipotezie kosmologicznej – „ciemnej „ materii i „ciemnej” energii[6].
Jedno jest pewne.
Najważniejsze i najciekawsze aktualne wydarzenia w fizyce „frontowej” dzieją się poza Modelem Standarowym i poza LHC.Ich konsekwencje mogą być negatywne –w sposób bardzo poważny- nie tylko dla teorii mikroświata ( QED,QCD), teorii zbudowanych w drugiej połowie XX wieku.
Wydaje się ,że Model Standardowy wyczerpał już swoje możliwości praktyczne o znaczeniu technologicznym, a teoretyczne możliwości miał zawsze kontrowersyjne[np.fiasko wszystkich prób unifikujących znane oddziaływania) i urągające kryterium piękna.
Literatura
(1)R.Pohl and all, The size of the proton, Nature 2010, 466, 213-216.
(2)R. Pohl, R. Gilman, G. Miller, K. Pachucki, Muonic hydrogen and the proton radius puzzle,30.V.2013, arXiv: 1301.0905v2
(3) A.Antognini and all, Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen, Science,25 01. 2013, 339, 417-420.
[4] D.Tucker-Smith,I.Yavin,Muonic hydrogen and MeV forces,2010, arXiv:1011.4922
[5] Brian Batel, David McKeen, Maxim Pospelov, New Parity-Violating Muonic Forces and the Proton Charge Radius, Phys.Rev.Lett. 107 (2011) 011803, arxiv: 1103.0721
[6] Haipeng An, Maxim Pospelov, Josef Pradler, Dark Matter Detectors as Dark Photon Helioscopes, Phys. Rev. Lett. 111, 041302 (2013), arxiv: 1304.3461
Dark Matter Detectors as Dark Photon Helioscopes Haipeng An, Maxim Pospelov, Josef Pradler. Apr 11, 2013. 5 pp. Published in Phys. Rev. Lett. 111, 041302 (2013)
Haipeng An, Maxim Pospelov, Josef Pradler, New stellar constraints on dark photons, Physics Letters B, Volume 725, 2013, Pages 190-195, arxiv: 1302.3884
