มีคำถามมากมายเกี่ยวกับขนาด การหมุน และการสลาย บาคาร่า ของอนุภาคอันเป็นสัญลักษณ์นักฟิสิกส์นิวเคลียร์ Evangeline Downie ไม่ได้วางแผนที่จะศึกษาปริศนาที่ซับซ้อนที่สุดของโปรตอน
แต่เมื่อโอกาสมาถึง Downie ก็ไม่สามารถปฏิเสธได้ “มันคือโปรตอน ” เธออุทาน ความลึกลับที่ยังคงวนเวียนอยู่รอบๆ อัญมณีแห่งอาณาจักรย่อยนี้ยั่วเย้าเกินกว่าจะต้านทานได้ อนุภาคที่อุดมสมบูรณ์ประกอบขึ้นจากสสารที่มองเห็นได้ในจักรวาล “เราถูกสร้างขึ้นมาจากสิ่งเหล่านี้ และเราไม่เข้าใจพวกเขาอย่างถ่องแท้” เธอกล่าว นักฟิสิกส์หลายคนที่เจาะลึกลงไปในหัวใจของสสารในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา ถูกล่อให้เข้าไปที่อนุภาคย่อยของอะตอมที่แปลกใหม่และไม่คุ้นเคย: มีซอน นิวตริโน และฮิกส์โบซอนที่มีชื่อเสียง—ไม่ใช่โปรตอนที่ต่ำต้อย
แต่แทนที่จะไล่ตามของหายากที่สุด
นักวิทยาศาสตร์อย่าง Downie กลับพยายามกลั่นกรองโปรตอนอย่างละเอียดถี่ถ้วนด้วยความแม่นยำที่สูงกว่าที่เคย ในกระบวนการนี้ ผู้ที่ชื่นชอบโปรตอนเหล่านี้บางคนได้สะดุดกับปัญหาในสาขาฟิสิกส์ที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าพวกเขาคิดออกแล้ว
น่าแปลกที่คุณสมบัติพื้นฐานบางอย่างของอนุภาคไม่ได้ถูกตรึงไว้อย่างสมบูรณ์ การวัดรัศมีครั้งล่าสุดไม่สอดคล้องกันโดยมีระยะขอบที่กว้าง ตัวอย่างเช่น ข้อเท็จจริงที่ดึงดูดใจ Downie ในทำนองเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถอธิบายที่มาของการหมุนของโปรตอน ซึ่งเป็นคุณสมบัติพื้นฐานของควอนตัม และนักฟิสิกส์บางคนมีความสงสัยอย่างลึกซึ้งแต่ยังไม่ได้รับการยืนยันว่าอนุภาคที่ดูเหมือนนิรันดร์ไม่ได้อยู่ตลอดไป — โปรตอนอาจสลายตัว การสลายตัวดังกล่าวคาดการณ์โดยทฤษฎีที่รวมพลังแห่งธรรมชาติที่แตกต่างกันภายใต้ร่มอันยิ่งใหญ่อันเดียว แต่ยังไม่เห็นความเสื่อมโทรม
เช่นเดียวกับฐานของปิรามิด ฟิสิกส์ของโปรตอนทำหน้าที่เป็นรากฐานสำหรับสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์รู้เกี่ยวกับพฤติกรรมของสสาร เพื่อทำความเข้าใจความซับซ้อนของจักรวาล Downie จากมหาวิทยาลัยจอร์จวอชิงตันในวอชิงตัน ดี.ซี. กล่าว “เราต้องเริ่มด้วยระบบที่ง่ายที่สุดในแง่หนึ่ง”
ปรับขนาดของขึ้น
สำหรับประวัติศาสตร์ส่วนใหญ่ของเอกภพ โปรตอนเป็น VIP ซึ่งเป็นอนุภาคที่สำคัญมาก พวกมันก่อตัวขึ้นเพียงเสี้ยววินาทีหลังจากบิ๊กแบง เมื่อจักรวาลเย็นลงมากพอที่อนุภาคที่มีประจุบวกจะกลายเป็นรูปร่าง แต่โปรตอนไม่ได้รับความสนใจจนกระทั่งประมาณ 100 ปีที่แล้ว เมื่อเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดทิ้งระเบิดไนโตรเจนด้วยอนุภาคที่ผลิตกัมมันตภาพรังสี ทำลายนิวเคลียสและปล่อยโปรตอน
โปรตอนตัวเดียวร่วมกับอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวประกอบเป็นไฮโดรเจน ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดในจักรวาล โปรตอนตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปมีอยู่ในนิวเคลียสของทุกอะตอม แต่ละองค์ประกอบมีจำนวนโปรตอนไม่ซ้ำกัน ซึ่งมีความหมายโดยเลขอะตอมของธาตุ ในแกนกลางของดวงอาทิตย์ การหลอมรวมโปรตอนจะสร้างความร้อนและแสงที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิต โปรตอนโลนยังถูกพบเป็นรังสีคอสมิก ซึ่งส่งเสียงหวือหวาผ่านอวกาศด้วยความเร็วเบรกเนค ชนกับชั้นบรรยากาศของโลกและทำให้เกิดอนุภาคอื่นๆ เช่น อิเล็กตรอน มิวออน และนิวตริโน
ในระยะสั้นโปรตอนมีอยู่ทั่วไป แม้แต่การปรับเปลี่ยนเล็กน้อยเพื่อความเข้าใจของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับอนุภาคขนาดเล็ก ดังนั้น อาจมีนัยยะที่กว้างไกล ดังนั้นคำถามใด ๆ ที่จู้จี้แม้เพียงเล็กน้อยก็สามารถทำให้นักวิจัยโปรตอนโกรธเคืองได้
ตัวอย่างเช่น ความไม่ลงรอยกันสองสามเปอร์เซ็นต์ในการวัดรัศมีของโปรตอนได้ดึงดูดความสนใจอย่างมาก นักวิทยาศาสตร์ตกลงกันเมื่อหลายปีก่อนว่า รัศมีของโปรตอนอยู่ที่ 0.88 femtometers หรือ 0.88 ล้านในพันล้านของเมตร — ประมาณหนึ่งในล้านล้านของความกว้างของเมล็ดงาดำ
แต่ภาพที่เรียบร้อยนั้นถูกพลิกกลับขึ้นภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมง ในเดือนพฤษภาคม 2010 ที่การประชุมPrecision Physics of Simple Atomic Systemsในเมือง Les Houches ประเทศฝรั่งเศส นักวิทยาศาสตร์สองทีมได้นำเสนอการวัดแบบใหม่ที่แม่นยำยิ่งขึ้น โดยเผยให้เห็นสิ่งที่พวกเขาคิดว่าน่าจะเป็นขนาดสุดท้ายของโปรตอน แต่กลับไม่เห็นด้วยประมาณร้อยละ 4 ( SN: 7/31/10, p. 7 ) Jan Bernauer นักฟิสิกส์จาก MIT กล่าวว่า “เราทั้งคู่คาดหวังว่าจะได้ตัวเลขเท่ากัน เราทั้งคู่จึงประหลาดใจ
ด้วยตัวมันเอง การแก้ไขเล็กน้อยของรัศมีของโปรตอนจะไม่ทำให้ฟิสิกส์เปลี่ยนแปลงไป แต่ทั้งๆ ที่มีความพยายามอย่างมาก ทั้งสองกลุ่มก็ไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมพวกเขาถึงได้ตัวเลขต่างกัน ในขณะที่นักวิจัยได้ขจัดคำอธิบายง่ายๆ เกี่ยวกับทางตัน พวกเขาเริ่มสงสัยว่าความไม่ตรงกันอาจเป็นสัญญาณบ่งชี้แรกของการพังทลายที่อาจทำลายหลักการทางฟิสิกส์ที่ยอมรับได้
ทั้งสองกลุ่มใช้วิธีการต่างๆ ในการเพิ่มขนาดโปรตอน ในการทดลองที่เครื่องเร่งอนุภาค MAMI ในเมืองไมนซ์ ประเทศเยอรมนี Bernauer และเพื่อนร่วมงานประเมินเส้นรอบวงของโปรตอนโดยการวัดว่าวิถีของอิเล็กตรอนถูกเบี่ยงเบนไปเมื่อถูกยิงใส่โปรตอน การทดสอบนั้นพบรัศมีที่คาดไว้ประมาณ 0.88 femtometers ( SN Online: 12/17/10 )
แต่ทีมที่นำโดยนักฟิสิกส์ Randolf Pohl จากสถาบัน Max Planck Institute of Quantum Optics ในเมือง Garching ประเทศเยอรมนี ได้ใช้วิธีใหม่ที่แม่นยำยิ่งขึ้น นักวิจัยได้สร้างมิวนิกไฮโดรเจน ซึ่งเป็นโปรตอนที่ไม่ได้มาพร้อมกับอิเล็กตรอน แต่เกิดจากลูกพี่ลูกน้องที่หนักกว่า – มิวออน บาคาร่า / ลายสัก
