Andi Hektor, Kristjan Kannike
Uusi osakesi ei otsita ainult ülikõrgetel energiatel külasuuruste masinate abil. Anomaaliaid tuleb ette ka madala energia eksperimentides, mille näide on prootoni suuruse mõistatus.
Usutavasti on lugejad näinud pilte hiiglaslikest aparaatidest, mis lahendavad osakestefüüsika mõistatusi. Genfis asuvad Euroopa tuumauuringute organisatsiooni (CERN) 27-kilomeetrise ümbermõõduga LHC osakestepõrguti ja majakõrgused detektorid. Senitundmatud osakesed arvatakse olevat palju kogukamad tuntutest. Nii suure massiga osakeste tekitamiseks on vaja ehitada järjest suuremaid kiirendeid.
Nupukas lugeja võiks küsida, kas neid tundmatuid osakesi on alati vaja otseselt tekitada. Võib-olla annavad need osakesed endast märku kaudselt, näiteks mõjutades mõnda nähtust meie ümber? See on tõesti võimalik, kuid selline mõju on üldiselt ülimalt nõrk. Sääraste efektide avastamine nõuab ülitäpseid eksperimente, kus tavaliselt mõõdetakse ainult ühte kindlat parameetrit. Uus aastatuhat on aga kaasa toonud hulga väga tundlikke ja täpseid tehnoloogiaid. Uued laserid, interferomeetrid ja tundlikel kvantnähtustel põhinevad seadmed tungivad vaikselt, aga kindlalt kõrge energia füüsika töömaile.
Üks selline ülitäpselt ära mõõdetud suurus on prootoni raadius. Seda mitmel viisil mõõtes saadi mõistatuslikul kombel erisugused tulemused. Aga kõigepealt uurime, mida üldse tähendab osakese raadius.
Elementaarosake, nagu elektron, on punktikujuline: nii palju, kui meie mõõtmised näitavad, ei koosne elektron väiksematest osakestest ega ole tal ulatust. Mitmest väiksemast osakesest koosnevate liitosakeste puhul on asi keerulisem. Vesinikuaatomi kohta ei saa täpselt öelda, kus see lõpeb. Kui mõõdame elektroni asukohta, siis on tõenäolisem teda tabada tuuma lähedal, ent on väike tõenäosus, et leiame elektroni ka tuumast päris kaugel. Korduvatel mõõtmistel saame punktipilve, mis tuumast eemaldudes hõredamaks jääb. Prootoni ehitus on samalaadne: mõneti lihtsustatult võib öelda, et kaks u-kvarki ja üks d-kvark, mida seob tugev jõud, „tiirlevad“ üksteise ümber. Nagu aatomilgi ei ole prootonil kindlat piiri. Kuigi prootoni piir on udune, saab defineerida prootoni laenguraadiuse. See on raadius, mis oleks prootonil, kui ta oleks kindla piiriga kuulike. Sel juhul oleks elektronide niimoodi lihtsustatud prootonilt põrkamise ristlõige (põrke tõenäosus) sama mis tegeliku prootoni puhul.
Mõneti lihtsustatult võib öelda, et prootonis „tiirlevad“ üksteise ümber tugeva jõuga seotud kaks u-kvarki ja üks d-kvark. ARPAD HORVATH / WIKIPEDIA
Kuna vesinikuaatomi tuumas on üksainus prooton, kasutavad füüsikud enamasti just seda aatomit prootoni raadiuse mõõtmiseks. Et põrgatada kokku elektrone ja prootoneid, suunatakse kõrge energiaga elektronide kiir vedelasse vesinikku. Prootonitelt põrkunud elektronide järgi saab leida kokkupõrke ristlõike ja sellest prootoni raadiuse.
Teine võimalus toetub vesinikuaatomi üleminekule kõrgemalt energiatasemelt madalamale, mille korral aatom kiirgab footoni, mille energia saab ära mõõta. Kuna kõrgemal energiatasemel viibib elektron enamasti prootonist eemal, madalamal energiatasemel aga leidub elektron tihedamalt tuuma lähedal, siis oleneb kiiratud footoni energia prootoni raadiusest. Ehkki prooton on kümme tuhat korda väiksem kui vesinikuaatom ja elektroni võib tema seest leida vastavalt üsna harva, tulevad tänapäeva ülitäpsed optilised mõõtmised selle ülesandega suurepäraselt toime.
Kui elektron parajasti viibib prootoni sees, „näeb“ ta ainult laengut, mis jääb tema asukohast sissepoole. Täpselt prootoni keskel asuvale elektronile ei mõju üldse külgetõmbejõudu, kuna ümbritsevad laengud tasakaalustavad üksteist. Selle tõttu tõmbab kerajas prooton elektroni keskmiselt külge veidi nõrgemini, kui siis, kui prooton oleks punktosake. Elektron saab liikuda pisut vabamalt ja teda võib seetõttu leida ka prootonist veidi kaugemalt kui muidu.
Aastakümneid mõõdeti prootoni ehk vesinikuaatomi tuuma raadiust tavalise vesinikuaatomi abil, saades tulemuseks 0,876 fm (femtomeeter ehk fm = 10−15 m). Aastal 2010 mõõtsid teadlased prootoni raadiust aga „müüon-vesiniku“ abil – see on vesinikuaatom, kus elektron on asendatud müüoniga. Kuna müüon on elektronist umbes 200 korda raskem, on ta aatomis prootonile ligi 200 korda lähemal. Seetõttu on tõenäosus leida teda prootoni seest 10 miljonit korda suurem ja müüon-vesiniku spektroskoopia abil prootoni raadiuse mõõtmine palju tundlikum. Igal juhul saadi mõõtmisel neli protsenti väiksem tulemus: 0,841 fm.
See neljaprotsendiline erinevus oli eksperimentaalsete eksimuste piiridest märgatavalt suurem ja tekitas üksjagu segadust. Füüsikud lootsid esialgu, et mängus võib olla mõni täiesti uus ja tundmatu loodusjõud, mis mõjutab müüoni ja elektrone erinevalt. Füüsikateoreetikud said sellest innustust, et pakkuda kõikvõimalikke seletusi, mis olid seotud raskemate tundmatute osakestega.