قد نتمكن أخيرًا من معرفة حجم البروتون

وأخيرًا، تمكنا من تحديد حجم البروتون. بعد مرور أكثر من 15 عامًا على تجربة هزت عالم فيزياء الجسيمات بشكل غير متوقع، يستعيد الباحثون قبضتهم على إحدى الخصائص الأساسية لهذا الجسيم الأساسي.

انظر حولك، وكل ما تراه سيكون مليئًا بالبروتونات. البروتون هو لبنة أساسية في عالمنا، وحتى عام 2010، اعتقدنا أننا نفهمه جيدًا إلى حد ما. لقد عرفنا تركيبه – فهو مكون من ثلاثة كواركات – وعرفنا حجمه.

بعد ذلك، أظهر قياس يعتمد على ذرة هيدروجين غريبة أن البروتون قد يكون في الواقع أصغر بنحو 4% من المتوقع. اندفع الفيزيائيون لاستكشاف مصادر الخطأ التجريبي بالإضافة إلى نظريات حول ظواهر فيزيائية جديدة يمكن أن تحل “لغز نصف قطر البروتون”. وفي عام 2019، عززت تجربة أخرى الدليل على أن حجم البروتون كان مبالغًا فيه منذ فترة طويلة.

الآن، ربما تمت تسوية المشكلة أخيرًا من خلال زوج من التجارب التكميلية التي تجعل قضية البروتون الأصغر أكثر إقناعًا من أي وقت مضى. وكشفوا أن البروتون يبلغ نصف قطره حوالي 0.84 فيمتومتر، أو أقل من مليون مليار من المتر.

يقول ديلان يوست من جامعة ولاية كولورادو، الذي عمل على إحدى التجارب: “عندما تنظر إلى تلك البيانات، ما هو المبلغ الذي أنت على استعداد للمراهنة عليه على أن نصف قطر البروتون هو ما هو عليه؟ بالنسبة لي شخصيًا، في الوقت الحالي، مع هذه القياسات، ترتفع احتمالات الرهان بشكل كبير”.

لتحديد نصف القطر هذا، ركزت كلتا التجربتين على ذرات الهيدروجين لأن كل منها تحتوي على بروتون واحد وإلكترون واحد فقط. فالجسيمان لهما شحنات كهربائية متضادة، لذا فإنهما يمارسان قوى كهرومغناطيسية على بعضهما البعض، ويؤثر هذا التفاعل على الطاقات التي يمكن أن يمتلكها كل جسيم داخل الذرة. لكن هذا التفاعل يعتمد على حجم البروتون، مما يعني أن إحدى الطرق للعثور على الأبعاد الدقيقة للبروتون هي قياس كيفية انتقال الإلكترون في نفس الذرة من حالة طاقة إلى أخرى.

وقد فعل فريقا البحث ذلك باستخدام الليزر للتحكم في الإلكترونات الموجودة في ذرات الهيدروجين. فيما بينهم، قاموا بقياس انتقالات ثلاثة إلكترونات بين الطاقات التي لم يتم قياسها من قبل.

ومن هذا، قاموا بحساب نصف قطر البروتون، ولم تتطابق أرقامهم مع بعضها البعض فحسب، بل تطابقت أيضًا مع قياس عام 2010 المهم. يقول لوثار مايسنباخر من جامعة كاليفورنيا، بيركلي، والذي كان جزءًا من التجربة الثانية، التي أجريت في معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية (MPQ) في ألمانيا: “من المستبعد جدًا (الآن) أن لا يزال هناك لغز نصف قطر البروتون”.

وهذا ليس بالأمر الهين، فنوعية التجارب التي أجراها مايسنباخر وزملاؤه معروفة بصعوبتها. يجب وضع ذرات الهيدروجين في فراغ مثالي؛ غالبًا ما تكون أجهزة الليزر المطلوبة باهظة الثمن ويجب معايرتها بعناية فائقة. في حين أن ثلاثة أو أربعة أسابيع قد تكون كافية لجمع البيانات، فقد يستغرق الأمر سنوات لفهرسة وفهم كل مصدر محتمل للاضطرابات والأخطاء التي يمكن أن تتسلل إلى القياس النهائي. بالإضافة إلى ذلك، تميل هذه التجارب إلى أن تكون متخصصة للغاية في كيفية التعامل مع الهيدروجين بالضبط، لذا فإن تعقب السبب الدقيق وراء اختلاف نتائجها عادة ما يكون أمرًا صعبًا للغاية، كما يقول مايسنباكر.

ولكن عندما تتفق النتائج التي توصلوا إليها، فإن هذا التنوع في الأساليب يمثل نقطة قوة، لأن التأثير الذي ينشأ من بعض الخلل الآلي المحدد لن يظهر عبر التجارب، كما يقول خوان روجو من جامعة فريجي أمستردام في هولندا. يقول: “يجب أن يكون نصف قطر البروتون خاصية عالمية؛ يجب أن يعطي النتيجة نفسها بغض النظر عن الطريقة التي تنظر بها إليه. ولهذا السبب فإن هاتين الورقتين لطيفتان للغاية، لأنهما تقدمان وجهات نظر مختلفة لنفس الرقم”.

يقول يوست إن زيادة اليقين في حجم البروتون مهم بشكل خاص لضبط النظريات حول الجسيمات الجديدة التي يمكن اكتشافها من خلال دراسة سلوك إلكترون الهيدروجين. في الواقع، كانت تجربة MPQ دقيقة بما يكفي لاختبار تنبؤات أفضل نموذج رياضي حالي لدينا، والذي يسمى الديناميكا الكهربائية الكمية، بدقة تبلغ 0.5 جزء في المليون. لم يجد الفريق أي تناقضات – لا شيء من شأنه أن يشير إلى قوى أو جسيمات جديدة – لكن روجو يقول إن التجربتين تمهدان الطريق لدراسات مماثلة لتصبح جزءًا مهمًا من أبحاث فيزياء الجسيمات.

في حين أن مصادمات الجسيمات العملاقة يمكنها البحث عن جسيمات جديدة ثقيلة، فإن هذه التجارب المنضدية مع ذرات الهيدروجين والليزر يمكن أن تبحث عن جسيمات خفيفة للغاية والتي لولا ذلك ستبقى مخفية، كما يقول يوست. “الآن بعد أن أصبح لدينا الثقة في أننا نفهم حقًا ما يحدث، يمكننا أن نقول، حسنًا، ما نوع الحدود التي يمكننا وضعها على الفيزياء الجديدة؟” يقول.