Τα ηλεκτρόνια στα άτομα μπορούν να καταλαμβάνουν μόνο διακριτά ενεργειακά επίπεδα και να μεταπηδούν μεταξύ αυτών των επιπέδων απορροφώντας ή εκπέμποντας φωτόνια σε πολύ συγκεκριμένες συχνότητες. Οι ακριβείς τιμές αυτών των συχνοτήτων εξαρτώνται και από το μέγεθος του πρωτονίου – έστω και ανεπαίσθητα. Έτσι οι φυσικοί για να προσδιορίσουν την ακτίνα του πρωτονίου, στρέφονται στο άτομο υδρογόνου, που αποτελείται από ένα μόνο πρωτόνιο και ένα μόνο ηλεκτρόνιο. Επειδή το υδρογόνο είναι τόσο απλό, το μοτίβο των ενεργειακών του σταθμών είναι λιγότερο περίπλοκο σε σχέση με τα βαρύτερα άτομα, καθιστώντας το ιδανικό πεδίο δοκιμών για τις προβλέψεις της Κβαντικής Ηλεκτροδυναμικής (QED).
Ο Lothar Maisenbacher και οι συνεργάτες του στο Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής Max Planck στη Γερμανία διεγείροντας άτομα υδρογόνου πραγματοποίησαν την πιο ακριβή εκτίμηση μέχρι σήμερα της ακτίνας του πρωτονίου. Για να το πετύχουν αυτό μέτρησαν με εξωφρενική ακρίβεια την συχνότητα που απαιτείται για να μεταβεί το ηλεκτρόνιο του υδρογόνου από την ενεργειακή στάθμη 2S στην 6P. Χρησιμοποιώντας λέιζερ, οι ερευνητές «βομβάρδισαν» άτομα υδρογόνου που βρίσκονταν στη μετασταθή κατάσταση 2S διεγείροντάς τα προς την 6P. Τα άτομα αποδιεγείρονται γρήγορα με τα ηλεκτρόνια πέφτουν σε χαμηλότερες στάθμες (κυρίως στη θεμελιώδη στάθμη 1S), εκπέμποντας φωτόνια. Καταγράφοντας την ένταση αυτού του φωτός οι φυσικοί προσδιόρισαν την ακριβή συχνότητα συντονισμού της μετάβασης 2S–6P:
f2S–6P=730.690.248.610,79(48) kHz, ενώ η θεωρητική πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου είναι 730.690.248.610,79(23) kHz!!
Τα ενεργειακά επίπεδα του υδρογόνου εξαρτώνται εγγενώς από το φυσικό μέγεθος του πρωτονίου, καθώς η ακτίνα κατανομής φορτίου του πρωτονίου μεταβάλλει απειροελάχιστα την ενέργεια των καταστάσεων. Επομένως, η συχνότητα μετάβασης που μετρήθηκε σχετίζεται με την ακτίνα του πρωτονίου. Συνδυάζοντας τη νέα, υπερ-ακριβή μέτρηση της μετάβασης 2S-6P με την ήδη γνωστή μέτρηση της μετάβασης 1S-2S και εφαρμόζοντας τις θεωρητικές εξισώσεις της Κβαντικής Ηλεκτροδυναμικής (QED), οι Maisenbacher et al κατάφεραν να υπολογίσουν με ακρίβεια την ακτίνα του πρωτονίου, καταλήγοντας στην τιμή rp = 0,8406(15) fm (1 fm=10-15m).
Η νέα αυτή μέτρηση επικυρώνει οριστικά την «μικρότερη» τιμή της ακτίνας του πρωτονίου (βλέπε σχήμα), η οποία είχε παρατηρηθεί για πρώτη φορά στο μιονικό υδρογόνο το 2010. Με τον τρόπο αυτό επιλύεται οριστικά ο γρίφος της ακτίνας του πρωτονίου, ενώ παράλληλα επαληθεύεται η ορθότητα του Καθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής με την ασύλληπτη ακρίβεια των μερών ανά τρισεκατομμύριο.
διαβάστε περισσότερα:
1. Sub-part-per-trillion test of the Standard Model with atomic hydrogen – https://www.nature.com/articles/s41586-026-10124-3
2. Proton’s width measured to unparalleled precision, narrowing the path to new physics – https://phys.org/news/2026-02-proton-width-unparalleled-precision-narrowing.html
Κατηγορίες:ΑΤΟΜΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ
physicsgg 
Σχολιάστε