Záhada „zmenšujícího se“ protonu

Rozměr protonu patřil až do roku 2010 k údajům, o kterých se příliš nepochybovalo. Shodovaly se na něm různé experimenty, všechny vedly k poloměru 0,8751 femtometru.¹⁾ Pak ale výsledky z Ústavu Paula Scherrera ve Švýcarsku tuto jistotu nahlodaly nově naměřenou hodnotou 0,84184 fm – rozdíl výrazně za hranicí předpokládané experimentální chyby. Nesoulad mohl být vysvětlen i našim nedostatečným pochopením interakcí mezi elementárními částicemi, což vedlo k jistému vzrušení mezi atomovými fyziky. Zdá se ale, že pomalu směřujeme k novému konsenzu pro rozměr protonu a učebnice fyziky se (zatím) přepisovat nebudou.

Velikost protonu se dá změřit dvěma způsoby. Přímočaře rozměr částic zjistíme pomocí srážek s jinou částicí: proton si můžeme „osahat“ třeba pomocí srážek s elektrony, kdy sledujeme, jak proton změní jejich dráhu. Srážkami (s jinými atomovými jádry) zkoumal atomová jádra už Ernest Rutherford na začátku 20. století. Jiný způsob vychází z měření rozdílu mezi energetickými hladinami v atomu vodíku. Připomeňme, že v rámci kvantového pohledu na svět neobíhá elektron kolem jádra, ale vyskytuje se v jakémsi oblaku obklopujícím atomové jádro. Je tedy nenulová šance, že se objeví přímo v atomovém jádru. Pokud se elektron ocitne „uvnitř“ protonu, cítí menší přitažlivou sílu, než odpovídá Coulombovu zákonu, a energetické hladiny se drobně posunou. Drobně proto, že jádro je asi stotisíckrát menší než atom. Jak srážkové, tak spektroskopické experimenty směřovaly konzistentně k poloměru protonu právě kolem hodnoty 0,88 fm.

Spektroskopická měření musí být mimořádně citlivá, protože posuny hladin jsou díky malému rozměru protonu zcela minimální (více v rámečku Atom vodíku a Lambův posun). Tým z Ústavu Paula Scherrera ale dokázal přesnost vylepšit mazaným způsobem.²⁾ Měření prováděli s exotickou formou atomu vodíku, v němž roli elektronu hrál mion. To je takový bratranec elektronu se stejným nábojem, ale asi dvousetnásobnou hmotností. I když je mion nestabilní a žije pouze několik mikrosekund, dají se s ním připravit „atomy“. Kromě rozdílné hmotnosti se mion chová úplně přesně jako elektron. Díky vyšší hmotnosti se vyskytuje daleko častěji v prostoru protonu – průměrná vzdálenost od jádra je dvěstěkrát menší – a pozorovaný posun hladin je mnohem výraznější. Poloměr protonu z tohoto experimentu vyšel ale podstatně menší než z pokusů předchozích.