Yeni ölçümler, proton yarıçapının önceden düşünülenden yüzde dört ila beş daha küçük olduğunu gösteriyor. Bilim adamları şimdi Rydberg sabitinin de yeniden belirlenmesi gerektiğini varsayıyorlar.
Garching (Almanya). Bir protonun doğru kütlesini ve çapını bilmek bilim için çok önemlidir. Nötronlarla birlikte protonlar atom çekirdeğini oluşturur. Bu nedenle, tüm maddenin temel yapı taşıdır. Ayrıca Rydberg sabiti gibi doğal sabitler de protona bağlıdır. Rydberg sabiti, bilimde uygun elemanlara spektral çizgiler atamak için kullanılır.
Protonun boyutu için artık sapan ölçülen değerler bu nedenle bilimin birçok alanında büyük bir etkiye sahiptir. Son yıllarda yapılan diğer ölçümlerde de resmi değerin doğru olamayacağı sonucuna varılmıştır. 2010 yılında, lazer spektroskopisi kullanılarak bir proton-müon kavşağı incelenmiştir. Bu ölçümde ölçülen proton yarıçapı da resmi olarak kabul edilen 0,8768 femtometre standardının yaklaşık yüzde 4 altındaydı.
2010 yılında ölçümün proje yöneticisi Mainz Üniversitesi’nden Randolf Pohl şöyle açıklıyor: “Müon elektrondan 200 kat daha ağır olduğu için protona çok daha yakınlaşıyor ve kelimenin tam anlamıyla genişlemesini hissediyor. Bu, yüksek hassasiyetle sonuçlanıyor. Bununla proton yarıçapını belirleyebildik.” 2016’daki bir başka ölçüm, ekibin Pohl çevresindeki sonuçlarını doğruladı. 2017’de yapılan müteakip bir ölçüm de kütlenin standart değerden saptığını gösterdi.
Birkaç kez doğru bir şekilde ölçün
Standart değeri değiştirmek için önceki üç ölçümün sonuçlarını doğrulamak gerekiyordu. Garching’deki Max Planck Kuantum Optik Enstitüsü’nden (MPQ) Axel Beyer liderliğindeki bir ekip gerekli ölçümü gerçekleştirdi. Proton yarıçapı, normal hidrojen atomu üzerinde, yani elektronu önceki ölçümleri yanlışlamış olabilecek müon ile değiştirmeden ölçüldü.
Ölçüm sırasında araştırmacılar, hidrojen atomunun iki enerji geçişinin spektral çizgilerini analiz ettiler. Kesinlikle güvenilir sonuçlar elde etmek için çift ölçüm gereklidir. Beyer ve ekibi 2S-4P geçişini analiz etti. Mutlak sıfırın hemen üzerinde bir sıcaklığa sahip olan bir hidrojen atomunu ışınladılar. Atomlar, dalga boyu 468 nanometre olan lazer tarafından uyarılmış 4P seviyesine kaydırılır. Daha sonra 2S durumuna geri dönerlerse, yayılan fotonlardan proton boyutu çıkarılabilir. Ekip, deneyin sonuçlarını ünlü Science dergisinde yayınladı.
İki ölçümün kombinasyonu, protonun muhtemelen mevcut standarttan daha küçük olduğunu ortaya çıkardı. Bilim adamları, diğer araştırma gruplarının ölçümlerini doğruladı. Ayrıca yüzde dört ila beş daha düşük bir değer varsayarlar. Önceki 0,8768 femtometre yerine 0,8335 femtometre yarıçapını varsayıyorlar. MPQ’dan proje lideri Thomas Udem, “bu, hidrojen dünya verilerinden 3,3 standart sapmalık bir farka karşılık geliyor. Ölçümümüz, normal hidrojenin bir araya gelmesiyle ilgili önceki tüm diğer deneyler kadar doğru.”
Varsayılan değer değiştirilecek mi?
Ekip, okumaları analiz etmek için toplam üç yıl harcadı. Ancak, ölçüm hataları ve tahrifatlar hiçbir zaman tamamen ortadan kaldırılamaz. Bununla birlikte, genel olarak, tüm deneyler, protonun daha önce varsayılandan daha küçük olduğunu göstermektedir. Ancak fizikçilere göre, kesinlikle emin olmak için daha fazla ölçüm dizisi gerekiyor.
Bununla birlikte, Bilim ve Teknoloji için Veri Komitesi (CODATA) sonuçlar hakkında zaten yorum yaptı. Resmi kurum, fiziksel sabitler için standart değerleri belirler. Krzysztof Pacucki, “bu sonucu çok ciddiye alacaklarını” söyledi. Bu nedenle, 2018’deki bir sonraki revizyondan sonra proton yarıçapında ve Rydberg sabitinde resmi bir değişiklik olması muhtemeldir.