Δύο εξαιρετικά ακριβή πειράματα συμφωνούν με τη μικρότερη εκτίμηση για το μέγεθος του πρωτονίου. Η σύμπτωση ενισχύει την πιο πρόσφατη εικόνα και ανοίγει χώρο για νέες δοκιμές στη φυσική των σωματιδίων.
Δύο εξαιρετικά ακριβή πειράματα έδωσαν την πιο καθαρή μέχρι σήμερα απάντηση για την ακτίνα του πρωτονίου, επιβεβαιώνοντας ότι το σωματίδιο είναι μικρότερο απ’ όσο θεωρούσαν οι φυσικοί επί χρόνια. Η νέα μέτρηση συγκλίνει με την αιφνιδιαστική εκτίμηση που είχε προκύψει το 2010 και είχε ανοίξει μια από τις πιο επίμονες εκκρεμότητες στη σωματιδιακή φυσική.
Το πρωτόνιο βρίσκεται παντού γύρω μας και αποτελεί βασικό δομικό λίθο της ύλης. Μέχρι το 2010, οι φυσικοί πίστευαν πως γνώριζαν καλά τόσο τη σύνθεσή του όσο και το μέγεθός του. Η εικόνα αυτή άλλαξε όταν μια μέτρηση σε εξωτικό άτομο υδρογόνου έδειξε ότι η ακτίνα του ίσως είναι περίπου 4% μικρότερη από την αναμενόμενη. Από τότε, οι ερευνητές εξέτασαν εξαντλητικά το ενδεχόμενο σφάλματος στα πειράματα, αλλά και το αν πίσω από τη διαφορά κρυβόταν νέα φυσική. Το 2019, μια ακόμη μέτρηση ενίσχυσε την υπόθεση ότι η παλιότερη τιμή ήταν υπερεκτιμημένη.
Τώρα, δύο συμπληρωματικά πειράματα έρχονται να δέσουν πιο σφιχτά την εικόνα. Και τα δύο βασίστηκαν σε άτομα υδρογόνου, όπου υπάρχει μόνο ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Η αλληλεπίδρασή τους, μέσω των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων, επηρεάζει τις ενεργειακές στάθμες του ατόμου. Επειδή αυτή η αλληλεπίδραση εξαρτάται και από το μέγεθος του πρωτονίου, οι ερευνητές μπορούν να υπολογίσουν την ακτίνα του μετρώντας πώς το ηλεκτρόνιο περνά από τη μία ενεργειακή κατάσταση στην άλλη. Οι δύο ομάδες χρησιμοποίησαν λέιζερ για να ελέγξουν τα ηλεκτρόνια και μέτρησαν τρεις μεταπτώσεις που δεν είχαν καταγραφεί ποτέ πριν.
Οι υπολογισμοί τους έδωσαν σχεδόν την ίδια τιμή και οι δύο συμφωνούν με τη μέτρηση του 2010, καταλήγοντας σε ακτίνα περίπου 0,84 φεμτομέτρων, δηλαδή λιγότερο από ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του μέτρου. Για τον Ντίλαν Γιοστ, που συμμετείχε στο ένα από τα πειράματα, η βεβαιότητα γύρω από το αποτέλεσμα ανεβαίνει αισθητά. Ο Λόταρ Μάισενμπαχερ, από το δεύτερο πείραμα που πραγματοποιήθηκε στο Max Planck Institute of Quantum Optics στη Γερμανία, σημείωσε ότι πλέον είναι εξαιρετικά απίθανο να υπάρχει ακόμη το λεγόμενο πρόβλημα της ακτίνας του πρωτονίου.
Το διακύβευμα δεν είναι μικρό. Τέτοιου είδους μετρήσεις είναι notoriously δύσκολες: τα άτομα υδρογόνου πρέπει να βρίσκονται σε απόλυτο κενό, τα λέιζερ χρειάζονται εξαιρετικά προσεκτική βαθμονόμηση και η ανάλυση των δεδομένων μπορεί να πάρει χρόνια. Όταν όμως διαφορετικές προσεγγίσεις καταλήγουν στο ίδιο αποτέλεσμα, η συμφωνία αποκτά βαρύτητα, γιατί ένα τεχνικό σφάλμα δύσκολα θα επαναλαμβανόταν με τον ίδιο τρόπο και στα δύο πειράματα. Η σταθεροποίηση της τιμής κάνει επίσης πιο αξιόπιστες τις δοκιμές της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής, του πιο ακριβούς θεωρητικού μας μοντέλου για το πώς αλληλεπιδρούν φως και ύλη, ενώ δίνει στους φυσικούς ένα πιο καθαρό πεδίο για να αναζητήσουν πολύ ελαφρά νέα σωματίδια μέσα από τη συμπεριφορά του ηλεκτρονίου στο υδρογόνο.
