Tajemnice protonu. Wiek i rozmiar wciąż niepewny

Wewnątrz protonu według powszechnej wiedzy znajdują się trzy kwarki. W rzeczywistości jego struktura jest bardziej skomplikowana (1) a dodanie spajających kwarki gluonów też jeszcze nie wyczerpuje kwestii. Uznaje się, że proton to prawdziwe morze kwarków i antykwarków pojawiających się i znikających, co jest dziwne jak na tak stabilną cząstkę materii.

Do niedawna nie znano nawet dokładnego rozmiaru protonu. Przez długi czas fizykom wychodziła wartość 0,877 femtometra (fm, gdzie femtometr to 100 kwintylionowych części metra). W 2010 r. międzynarodowy zespół przeprowadził nowy eksperyment w Instytucie Paula Scherrera w Szwajcarii i otrzymał nieco mniejszą wartość - 0,84 fm. W 2017 r. niemieccy fizycy na podstawie swoich pomiarów wyliczyli promień protonu na 0,83 fm i jak uznawano z dokładnością do błędu pomiarowego zgadzałoby się to z wartością 0,84 fm wyliczoną w 2010 roku na podstawie promieniowania egzotycznego "wodoru mionowego".

Dwa lata później inny zespół naukowców pracujących w Stanach Zjednoczonych, na Ukrainie, w Rosji i Armenii, tworzących zespół PRad w Jefferson Lab w Wirginii, ponownie sprawdził wyniki pomiarów, wykorzystując nowy eksperyment rozpraszania protonów-elektronów. Naukowcy uzyskali wynik - 0,831 femtometra. Autorzy pracy na ten temat opublikowanej w "Nature" nie uważają, że problem został całkowicie rozwiązany. Tak wygląda nasza wiedza o cząstce będącej "fundamentem" materii.

Definicyjnie mówimy, że proton to trwała cząstka subatomowa z grupy barionów o ładunku +1 i masie spoczynkowej równej ok. 1 u. Protony wraz z neutronami stanowią nukleony, elementy jąder atomowych. Liczba protonów w jądrze danego atomu jest równa jego liczbie atomowej, która jest podstawą uporządkowania pierwiastków w układzie okresowym. Są głównym składnikiem pierwotnego promieniowania kosmicznego. Proton według Modelu Standardowego jest cząstką złożoną, zaliczaną do hadronów, a ściślej barionów, zbudowaną z trzech kwarków - dwóch kwarków górnych "u" i jednego kwarku dolnego "d" związanych silnym oddziaływaniem przenoszonym przez gluony.

Według najnowszych wyników eksperymentalnych, jeżeli rozpad protonu następuje, to średni czas życia tej cząstki jest dłuższy niż 2,1·1029 lat. Zgodnie z Modelem Standardowym proton, jako najlżejszy barion, nie może się samorzutnie rozpaść. Niezweryfikowane teorie wielkiej unifikacji generalnie przewidują rozpad protonu z czasem życia minimum 1·1036 lat. Proton może ulec przemianie, na przykład w procesie wychwytu elektronu. Ten proces nie zachodzi samorzutnie, lecz tylko w wyniku dostarczenia dodatkowej energii. Proces ten jest odwracalny. Na przykład w rozpadzie beta neutron zamienia się w proton. Wolne neutrony rozpadają się spontanicznie (czas życia około 15 minut), produkując proton.

Przeprowadzone w ostatnim okresie eksperymenty wykazały, że wewnątrz jądra atomu protony jak też sąsiadujące z nimi neutrony wydają się znacznie większe, niż powinny być. Fizycy stworzyli dwie konkurujące ze sobą teorie, które próbują wyjaśnić to zjawisko, a zwolennicy każdej z nich są pewni, że druga jest błędna. Z jakiegoś powodu protony i neutrony wewnątrz ciężkich jąder zachowują się tak, jakby były znacznie większe niż wtedy, gdy znajdują się poza jądrami. Naukowcy nazywają to zjawisko efektem EMC, od European Muon Collaboration, grupy, która przypadkowo je odkryła. Stanowi ono pogwałcenie istniejących teorii fizyki jądrowej.

Badacze przypuszczają, że kwarki składające się na nukleony oddziałują na inne kwarki w innych protonach i neutronach rozbijają ściany oddzielające cząstki. Kwarki tworzące jeden proton i kwarki tworzące inny proton zaczynają zajmować tę samą przestrzeń. To powoduje, że protony (lub neutrony) rozciągają się i rozmywają. Rosną one bardzo, choć przez bardzo krótki okres. Nie wszyscy fizycy zgadzają się jednakże z takim opisem zjawiska. Wygląda więc na to, że życie towarzyskie protonu w jądrze atomowym jest nie mniej tajemnicze niż jego wiek i rozmiar.

Mirosław Usidus