Mysteriet med protonens rätta storlek
Ingen linjal är liten nog för att mäta en proton, och olika experiment har gett olika värden på dess radie. Ett nytt resultat pekar nu mot att värdet i fysikernas tabeller behöver ändras.
Bild: Getty images
Den vanliga protonen som finns i varje atomkärna har på senare år orsakat huvudbry i forskarvärlden. I ett experiment för några år sedan hade forskare bytt ut elektronen i en väteatom mot en myon så att de kunde göra en noggrannare mätning av protonens storlek. Det överraskande resultatet var att protonen såg mindre ut än i tidigare försök.
Nu har en tysk forskargrupp presenterat ett nytt resultat, där de noggrannare än någonsin tidigare har mätt elektroner som hoppar mellan olika energinivåer i en väteatom. Deras resultat ligger nära myonexperimentets – en proton har då en radie på cirka 0,000 000 000 000 84 millimeter (eller 8,4·10-16 meter).
Det är obegripligt lite, men oenigheten på värdet i den sista decimalen skulle kunna tyda på en fundamental skillnad i hur myoner och elektroner påverkas av samma elektromagnetiska kraft. Och det i sin tur skulle innebära att det finns ny och okänd fysik att upptäcka.
Å andra sidan skulle det kunna vara så att osäkerheten i vissa av resultaten är större än forskarna räknat med.
– Det är mycket svåra experiment att göra. Det finns alltid risk att man har missat att kontrollera något mätfel, säger Dag Hanstorp, professor vid Göteborgs universitet, som har läst den nya studien.
Om något av experimenten är fel vill forskarna kunna avgöra hur stor protonen faktiskt är. Flera andra experiment på senare år har pekat mot det lägre värdet. Mysteriet tätnade också genom att en forskargrupp i Paris 2018 mätte en protonstorlek som stämde precis med det tidigare, några procent större värdet.
– Det är inte löst, men mycket talar för att det är det lägre värdet som är rätt. Nu ska Parisgruppen göra om sitt experiment, säger Dag Hanstorp.
Så mäts protonens storlek
På många bilder ser atomer ut som små planetsystem i miniatyr, med elektronerna i prydliga banor kring atomkärnan som håller dem på plats med hjälp av den elektriska laddningen i protonerna. I en mer realistisk beskrivning befinner sig elektronerna till viss del inuti atomkärnan, innanför en del av protonladdningen, där de alltså inte dras lika starkt mot atomens mittpunkt.
På det viset påverkar protonens storlek vad elektronerna får för möjliga energier i atomen. I en väteatom, som bara består av en proton och en elektron, kan forskare mäta elektronens språng mellan olika nivåer och sedan räkna bakåt och bestämma protonens radie.
Myoner är identiska med elektroner förutom att de är mer än 200 gånger tyngre. Om elektronen i en väteatom byts ut mot en myon hamnar myonens möjliga banor närmare kärnan. Myonen påverkas alltså mer av protonens storlek, och det gör mätningen känsligare och därmed noggrannare.
Ett annat sätt är att skjuta elektroner mot en proton, och mäta hur de studsar eller viker av, och utifrån det räkna fram ett mått på protonens storlek.
Prenumerera på Forskning & Framsteg!
10 tidningsnummer om året och dagliga nyheter på fof.se med kunskap baserad på vetenskap.
