Proton to podstawowy budulec materii we wszechświecie. Poczynając od wodoru, znajdziemy go w jądrze każdego pierwiastka. A jednak wiedza o właściwościach tej dodatnio naładowanej cząstki wciąż podlega pewnym modyfikacjom. Dotyczy to choćby jej wielkości, która zależnie od metody pomiaru, co jakiś czas ulega wahaniom o kilka procent.
Przed 2010 rokiem przyjmowano wynik 0,887 fm (femtometr = 10−15 m, czyli biliardowa część metra). Późniejsze eksperymenty zespołu z Instytutu Optyki Kwantowej Maxa Plancka w Garching zredukowały tę wartość do 0,842 fm. Z kolei najnowsza publikacja fizyków z Politechniki Federalnej w Zurychu jeszcze mocniej “skurczyła” proton, szacując jego rozmiar na 0,822 femtometra.
Simon Scheidegger i Frédéric Merkt uzyskali ten rezultat niejako przy okazji, prowadząc badania dotyczące liczby Rydberga. Jest to stała fizyczna obecna w równaniach opisujących linie emisyjne, świadczące o zmianach energetycznych wewnątrz atomu. Charakterystyczne prążki stanowią ślady fotonów, wyrzucanych przez elektrony dokonujące skoków kwantowych. Jednak chociaż linie emisyjne wynikają z zachowania elektronów, ich układ w pośredni sposób zależy też od wielkości oddziałującego na elektrony protonu (który w przypadku wodoru samodzielnie tworzy jądro – tak dla przypomnienia).
Tu pojawia się pewien kłopot: skoro rozmiar protonu ma związek ze stałą, a stała ma związek z rozmiarem protonu, to jak uzyskać wiarygodny odczyt obu tych wielkości? Szwajcarzy znaleźli sposób na opuszczenie błędnego koła.
Wpływy protonu tracą na znaczeniu w miarę oddalania elektronu. Idąc tym tropem, fizycy doprowadzili atom wodoru do stanu na granicy stabilności, odsuwając elektron możliwie daleko, kontrolując wszystko za pomocą pola elektromagnetycznego. Mierząc energię pochłoniętą przez elektron podczas tego skoku i porównując ją z innymi skokami, Scheideggerowi i Merktowi udało się wyznaczyć “najdokładniejszą wartość, jaką kiedykolwiek określono dla energii wiązania układu kwantowego dwóch ciał”.
A przy okazji doprecyzowano szacunki dotyczące wielkości protonu, który okazał się o jeszcze 2,4% drobniejszy, niż dotąd sądzono.
Oryginalną publikację Precision-Spectroscopic Determination of the Binding Energy of a Two-Body Quantum System: The Hydrogen Atom and the Proton-Size Puzzle znajdziecie na Physical Review Letter. Badanie zostało również opisane przez Nature, ale w bardzo lakonicznej formie.
