Kvarová struktura protonu. (Kredit: Arpad Horvath / Wikipedia)

Měříme poloměr protonu
Abychom změřili něco tak malého, jako je poloměr protonu, potřebujeme ještě něco menšího, s čím to porovnáme. Ideální pro tuto službu je elektron, proto jedna z metod měření radiusu proton spočívá v ostřelování této částice elektrony a následné sledování rozptylu odrazů. Druhá metoda na to šla „od lesa“, sledováním energetických hladin protonu pomocí vodíkové spektroskopie. Je potřeba si uvědomit, že proton a elektron tvoří ten nejjednodušší prvek – vodík. Vědci po opakovaných pokusech dospěli k výše uvedenému závěru, tedy že poloměr protonu je 0,88 ± 0.01fm.

Potom přišli v roce 2010 s novou metodou, kdy zopakovali pokus se sledováním energetických hladin protonu, ale elektron nahradil jeho mnohem těžším  příbuzným mionem (je 200 krát těžší než elektron). Ten díky své hmotnosti obíhá podstatně blíže protonu a vědci tak změřili poloměr protonu podstatně precizněji jako 0,842 ± 0,001 fm. Výsledek je mnohem přesnější, ale zcela se vymyká deklarované přesnosti předchozím pokusů. Od té doby vědci řešení záhadu poloměru protonu.

Simulace

Užitečná aplikace na stránce Quantum Mechanics

Roberto Onofrio z  univerzity v italském Padově přišel s hypotézou, že daná nesrovnalost je projevem kvantové gravitace. Při tomto pokusu se měří tzv. Lambův posun. Ve své podstatě se jedná o pozorovaný rozdíl v energiích mezi ²S_1/2 a ²P_1/2 orbitaly. Podle Diracovy rovnice by měly mít tyto orbitaly stejnou energii, ale tato rovnice nepočítá s vlivem vakua na elektron a proto má ²2S_1/2 jinou energii. Onofrio tvrdí, že díky podstatně větší hmotnosti mionu je možné naměřit menší poloměr protonu, než je tomu u měření s elektronem, podle něj je příspěvek kvantové gravitace rozdílný o dva řády. Podle jeho výpočtů lze slabou interakci mezi nabitými částicemi považovat za projev kvantové gravitace, tedy gravitace na a pod Fermiho škálou. Podle něj je dané měření projevem unifikace slabé jaderné interakce a gravitace. Jeho tvrzení by mohlo být ověřeno pokusy, kdy by se měřil Lambův posun u deuteria nebo hélia. Tyto pokusy s exotickými atomy jsou sice nesnadné, ale jsou v možnostech našich současných technologií. Proto uvidíme, zda dojde k potvrzení nebo vyvrácení Onofriovy hypotézy a zda jsem skutečně konečně na stopě kvantové gravitaci. 

Zdroje: Hydrogen Spoectroscopy http://phys.educ.ksu.edu/vqm/free/h2spec.html
 Lamb shift http://en.wikipedia.org/wiki/Lamb_shift
 http://phys.org/news/2013-11-proton-radius-puzzle-quantum-gravity.html