Tekst: prof. dr hab. Helena Dodziuk
dodziuk10@vp.pl, ichf.edu.pl/person/dodziuk.htm
W ostatnich latach duże zainteresowanie specjalistów wzbudził pomiar promienia protonu w atomie miuonowego wodoru.1 Okazało się, że chcąc uzyskać dużo dokładniejszy wynik dla promienia protonu otrzymano jego wartość 0.8418 ± 0.0007 fm, podczas gdy w innych pracach wyznaczony promień był równy 0.895 ± 0.018 fm2 lub 0.877 ± 0.007 fm.3,4 za mały promień protonu w porównaniu z wynikami wcześniejszych pomiarów. Prace Pohla i Antogniniego doczekały się szybkiej reakcji, np. 5 i powtórzenia pomiarów.6,7
Miuonowy wodór to atom wodoru, w którym elektron został zastąpiony przez 200 razy cięższy od niego miuon. Z tego względu orbity muionu w miuonowym wodorze są dużo bliższe protonu, miuon może nawet wnikać do środka protonu. Poziomy energetyczne miuonu silnie zależą od skończonego rozmiaru protonu, pozwalając określić rozmiar protonu. Metoda określenia promienia protonu w oparciu o poziomy energetyczne miuonowego wodoru jest 10-krotnie dokładniejsza niż inne metody (p. poniżej), ale uzyskana z jej pomocą wartość nie zgadza się z wielkościami otrzymanymi innymi metodami, które są podane w bazie CODATA.8
Dlaczego znajomość tej wielkości jest tak ważna? Po pierwsze, wiedząc, że jądro atomu wodoru składa się z kwarków i gluonów, możemy lepiej zrozumieć, jak wiążą się one w tym jądrze. Po drugie, rozmiar protonu jest istotny dla zrozumienia atomu wodoru. Między innymi, prostota tej najmniejszej cząsteczki pozwala na bardzo dokładne określenie poziomów energetycznych wodoru.
Atom wodoru jest wzorcem do pomiaru różnych właściwości ze względu na swój rozmiar. Z drugiej strony, jego badanie przyczyniło się do rozwoju fizyki od modelu Bohra z 1913 roku do elektrodynamiki kwantowej. Dla opracowania tej ostatniej bardzo ważna okazała się obserwacja w 1947 roku rozszczepienia poziomów energetycznych 2S-2P1/2, dziś zwana przesunięciem Lamba. Tradycyjne pomiary rozmiaru protonu wykonuje się w oparciu o rozkłady jego ładunku lub magnetyzacji. Kiedyś określano je na podstawie rozpraszania elektronów. Metodę tę opracował Robert Hofstadter ze współpracownikami, za co wraz z innymi badaniami otrzymał w 1961 r. (razem z Rudolfem Ludwigiem Mössbauerem) nagrodę Nobla. Druga metoda, spektroskopowa, polega na bardzo dokładnym badaniu poziomów energetycznych atomu wodoru wykorzystując promieniowanie laserowe. Trzecia metoda opracowana w grupie Aldo Antogniniego oparta jest na spektroskopii miuonowego wodoru, jak wspomniano powyżej, wykorzystuje większą masę miuonu. Powinna ona dać znacznie bardziej dokładną wartość promienia protonu. Jednak, jak wspomniano powyżej, zmierzona w ten sposób wartość jest znacznie mniejsza niż wynik pomiarów innymi metodami. Jest z tym duży problem, ponieważ powtórzenie pomiarów tradycyjnych dało wartość 0.879 ± 0.008 fm9 bardzo bliską wynikowi poprzednich pomiarów.3,4 Ostatnio Ingo Sick przedyskutował tę różnicę6 wskazując na bardzo poważny, zasadniczy problem z nią związany.
(1) Pohl, R., Antognini, A., Nez, F., Amaro, F. D., Biraben, F., Cardoso, J. M. R., Covita, D. S., Dax, A., Dhawan, S., Fernandes, L. M. P., Giesen, A., Graf, T., Hänsch, T. W., Indelicato, P., Julien, L., Kao, C.-Y., Knowles, P., Le Bigot, E.-O., Liu, Y.-W., Lopes, J. A. M., Ludhova, L., Monteiro, C. M. B., Mulhauser, F., Nebel, T., Rabinowitz, P., dos Santos, J. M. F., Schaller, L. A., Schuhmann, K., Schwob, C., Taqqu, D., Veloso, J. F. C. A., Kottmann, F. Nature 2010, 466, 213-216.
(2) Sick, I. Phys. Lett. B 2003, 576, 62.
(3) Udem, T., Huber, A., Gross, B., Reichert, J., Prevedelli, M., Weitz, M., Hänsch, T. W. Phys. Rev. Lett. 1997, 79, 2646–2649.
(4) Melnikov, K., van Ritbergen, T. Phys. Rev. Lett. 2000, 84, 1673–1676.
(5) https://arxiv.org/abs/1301.0905, Pohl, R., Gilman, R., Miller, G. A., Pachucki, K. arXiv:1301.0905 [physics.atom-ph] 2013.
(6) Sick, I. Progr. Particle Nucl. Phys. 2012, 67, 473-478.
(7) Antognini, A., Nez, F., Schuhmann, K., Amaro, F. D., Biraben, F., Cardoso, J. M. R., Covita, D. S., Dax, A., Dhawan, S., Diepold, M., Fernandes, L. M. P., Giesen, A., Gouvea, A. l., Graf, T., Hänsch, T. W., Indelicato, P., Julien, L., Kao, C.-Y., Knowles, P., Kottmann, F., Le Bigot, E.-O., Liu, Y.-W., Lopes, J. A. M., Ludhova, L., Monteiro, C. M. B., Mulhauser, F., Nebel, T., Rabinowitz, P., dos Santos, J. M. F., Schaller, L. A., Schwob, C., Taqqu, D., Veloso, J. F. C. A., Vogelsang, J., Pohl, R. Science 2013, 339, 417-420.
(8) https://www.codata.org/ errors and frauds in physics; 2013; 2013.
(9) Bernauer, J. C., Achenbach, P., Gayoso1, C. A., Böhm, R., Bosnar, D., Debenjak, L., Distler, O. M., Doria, L., Esser, A., Fonvieille, H., Friedrich, J. M., Friedrich, J., de la Paz, M. G. R., Makek, M., Merkel, H., Middleton, D. G., Müller, U., Nungesser, L., Pochodzalla, J., Potokar, M., Majos, S. S., Schlimme, B. S., Širca, S., Walcher, T., Weinriefer, M. Phys. Rev. Lett. 2010, 105, 242001. Układ html: K.
Rochowicz