لغز فيزيائي دام عقدًا من الزمن قد يتم حله أخيرًا

قام الباحثون بقياس حجم البروتون بدقة، وحل لغز نصف قطر البروتون وتعزيز الثقة في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

الهيدروجين هو أبسط عنصر في الكون والمدخل الأول في الجدول الدوري. كل هيدروجين ذرة تحتوي على بروتون واحد فقط في نواتها وإلكترون واحد يدور حولها. وبسبب هذه البساطة، كان الهيدروجين بمثابة أرض اختبار مهمة لدراسة القوى الأساسية والجسيمات التي تشكل الكون.

ومع ذلك، فإن إحدى الخصائص الأساسية للهيدروجين حيرت الفيزيائيين لأكثر من عقد من الزمن: الحجم الدقيق للبروتون الخاص به. وقد تركز النقاش، المعروف باسم لغز نصف قطر البروتون، على قياسات متضاربة لنصف قطر البروتون.

الباحثون في جامعة ولاية كولورادو (CSU) أبلغ الآن عن قياس دقيق للغاية يبدو أنه يحل المشكلة. النتائج، أبرزها في رسائل المراجعة البدنيةتعزيز الثقة في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات مع توفير الأساس للبحث المستقبلي.

يؤكد القياس الدقيق النموذج القياسي

أنتجت التجارب السابقة إجابات متضاربة. أشارت القياسات التي استخدمت الإلكترونات إلى نصف قطر بروتون واحد، بينما أشارت الدراسات التي استخدمت جسيمات أثقل إلى قيمة أصغر قليلاً. وكان الخلاف مماثلاً لقياس نفس المنزل بأداتين موثوقتين والحصول على أبعاد مختلفة.

أثار التناقض أسئلة مهمة. واقترح إما أن التجارب السابقة تحتوي على مصادر مخفية للخطأ أو أن الفيزيائيين قد يحتاجون إلى مراجعة بعض المبادئ الأساسية المستخدمة لوصف الكون.

يضع قياس CSU الجديد نصف قطر البروتون عند حوالي 0.84 فيمتومتر، مقارنة بالقيمة المقبولة سابقًا البالغة 0.876 فيمتومتر. وعلى الرغم من أن الفرق صغير للغاية، إلا أنه مهم بالنسبة لفيزياء الدقة. فريق مستقل في توصل معهد ماكس بلانك إلى نتيجة مماثلة باستخدام تقنية مختلفةمما يوفر ثقة إضافية بأن التناقض الذي طال أمده قد تم حله أخيرًا.

في حين أن التعديل على حجم البروتون صغير، إلا أن آثاره كبيرة بالنسبة لفهمنا للمادة والقوانين التي تحكم الكون.

يكشف التحليل الطيفي بالليزر عن حجم البروتون

قاد المشروع ديلان يوست، الأستاذ المشارك في قسم الفيزياء بجامعة CSU. وفقًا ليوست، تتوافق النتائج بشكل وثيق مع التنبؤات التي قدمها النموذج القياسي، والذي يصف كيفية تفاعل الجسيمات مثل الإلكترونات والميونات والبروتونات. تشير النتائج أيضًا إلى أن الخلاف السابق من المحتمل أن يكون نتيجة لتحديات القياس الدقيقة أو عدم اليقين في الثوابت المشتقة تجريبيًا.

“يُظهر اختبارنا توافقًا دقيقًا مع النظرية بشأن حجم البروتون إلى مستويات جزء لكل تريليون دقة، مما يلغي احتمال وجود قوة أو جسيم جديد مسؤول عن التناقض في هذه الحالة. “كان من الممكن أن يغير ذلك النموذج القياسي بشكل كبير وهو شيء كان الباحثون يبحثون عنه. “”على الرغم من ذلك، لا يبدو أن هذا هو الحال في هذه الحالة”.

لعدة سنوات، كانت مجموعة يوست تطوير تقنيات التحليل الطيفي بالليزر المنضدية قادرة على إجراء قياسات دقيقة للغاية. في هذه التجربة، أنشأ الباحثون شعاعًا من ذرات الهيدروجين داخل غرفة مفرغة واستخدموا الليزر لدفع الإلكترونات بين حالات الطاقة المختلفة.

ونظرًا لأن حجم البروتون يؤثر بشكل طفيف على سلوك الإلكترون، فقد تمكن الفريق من تحديد نصف قطر البروتون عن طريق قياس كيفية استجابة الإلكترونات أثناء هذه التحولات التي يسببها الليزر. قدمت التجربة أيضًا اختبارًا صارمًا للديناميكا الكهربائية الكمومية، وهي النظرية التي تصف التفاعلات بين الضوء والمادة على المستوى الذري.

تقنية الليزر الجديدة تعزز الدقة

دكتوراه. وقال الطالب رايان بوليس، المؤلف الرئيسي للدراسة، إن أحد أكبر التحديات كان إيجاد طريقة لفحص تحولات الطاقة هذه بدقة أكبر.

وقال: “تتحرك هذه الذرات بسرعة كبيرة ولا تتفاعل مع الليزر لفترة طويلة، مما قد يؤدي إلى مسح الإشارات التي نبحث عنها”. “لقد طورنا تقنية جديدة تستخدم مجالين ليزر في نفس الوقت لزيادة دقة قياساتنا.”

وقال بوليس إنه كان من المفيد بشكل خاص تطوير النهج الجديد وتنفيذه بنجاح، والذي لم يتم استخدامه من قبل لهذا الغرض، كجزء من بحث الدكتوراه الخاص به.

تجارب الطاولة تكمل مصادمات الجسيمات

وأشار يوست إلى أن الإعداد التجريبي المدمج للفريق يوفر مرونة كبيرة. يمكن للباحثين تعديل المعدات بسرعة أو تغيير الأولويات مع ظهور نتائج جديدة. وأضاف أن مثل هذه التجارب فعالة بشكل خاص في البحث عن الجسيمات الخفيفة ضعيفة التفاعل، في حين أن المرافق مثل مصادم الهادرونات الكبير هي أكثر ملاءمة لاكتشاف الجسيمات الأثقل والتفاعلات الأقوى.

ومع ذلك، أكد يوست أن كلا النهجين يلعبان أدوارًا أساسية في تقدم فيزياء الجسيمات.

وقال: “الطريقتان تلبيان احتياجات مختلفة. من خلال تجاربنا، يمكننا العثور على الفيزياء الأساسية ودراستها دون الحاجة إلى مسرعات الجسيمات الكبيرة. إن عملنا يشبه ضوء محرك الفحص الذي يضيء، ليخبر السائق أنه بحاجة إلى التحقيق في مشكلة محتملة”. “يمكن أن يخبرك عملنا بالمكان الذي يجب أن تبحث فيه أو ما الذي يعمل، ولكنك تحتاج إلى كلا الفريقين لمواصلة الفحص الكامل والتحقق من النموذج القياسي بحثًا عن فيزياء جديدة.”

الخطوات التالية: دراسة الديوتيريوم وما بعده

ويخطط الباحثون الآن لتطبيق نفس الأساليب على أشكال أكثر تعقيدًا من الهيدروجين، بما في ذلك الديوتيريوم.

وقال: “يمكننا أن نضع الهيدروجين جانباً في الوقت الحالي لأننا يمكن أن نكون راضين بأنه يتصرف كما ينبغي. وهذا يسمح لنا بالنظر إلى العناصر والتفاعلات الأخرى للتأكد من أنها تفعل ما نعتقد أنها يجب أن تفعله”. “هناك دائمًا فرصة لأن تسمح لنا القدرات المستقبلية بأن نكون أكثر دقة. لكننا على استعداد للبحث مرة أخرى ومواصلة سد الفجوة بين النظرية والتجربة في مجال الفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية. “

المرجع: “التحليل الطيفي الدقيق للتحولات 2S-nS في الهيدروجين الذري: تحديد نصف قطر شحنة البروتون” بقلم R. G. Bullis، W. L. Tavis، M. R. Weiss، J. Orellana Cisneros، A. J. Cheeseman، U. D. Jentschura and D. C. Yost، 23 مارس 2026، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/lgl2-6cb8

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.