Den officielle værdi for protonens radius på 0,8768 femtometer er muligvis mere end 0,03 femtometer for stor.
Alternativt har en af fysikkens mest gennemtestede teorier, kvanteelektrodynamikken (QED), et problem.
Den er den foreløbige konklusion, efter at en international forskergruppe har foretaget en ny og meget nøjagtig bestemmelse af protonens radius til at være 0,84087 femtometer.
Protonens radius kan bestemmes på to forskellige måder.
Den direkte metode er en måling af elektron-proton-spredning. Disse måledata er dog meget vanskelige at analysere, og det giver en relativ stor usikkerhed på bestemmelse af protonens radius.
En indirekte bestemmelse fås ud fra spektroskopiske målinger af overgangsfrekvenser i hydrogenatomet, som kan bestemme både Rydberg-konstanten og protonens radius med anvendelse af QED-teorien.
Der er både ud fra elektron-proton spredning og hydrogen spektroskopi, at man har fundet frem til, at protonens radius er 0,8768 fm.
Myoner forandrer billedet
For to år siden fremlagde en international forskergruppe resultater, der viste, at protonens radius 'kun' var 0,84184 fm.
Forskerne kunne forklare, at den statistiske sikkerhed på deres resultater afveg fra den officielle værdi med fem standardafvigelser - det er samme statistiske sikkerhed, som Cern anvendte, da de erklærede Higgsbosonen for opdaget.
Forskerne benyttede myon-hydrogen spektroskopi, dvs. de havde udskiftet elektronen i hydrogenatomet med en myon, som har samme ladning som elektronen, men er 207 gange tungere.
Da myonen er så meget tungere end elektronen, er dens energiniveauer meget mere følsomme over for protonens radius, end det er tilfældet med elektronens energiniveauer i hydrogenatomet. Det gør målingerne meget mere nøjagtige.
Supernøjagtige målinger
Nu har samme forskningsgruppe, anført af Aldo Antogini fra Max-Planck Institut für Quantenoptik i Garching, Tyskland og Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) i Zürich, Schweiz, lavet en forbedring af deres gamle eksperiment
Det har gjort det muligt for dem at fjerne potentielle fejlkilder i det oprindelige forsøg.
De har endvidere forbedret deres dataanalyser, så forskellen mellem den officielle værdi for protonens radius og den nye målte værdi er hele syv standardafvigelser - og med en værdi for protonens radius, der lyder på 0,84087 fm.
Resultatet er fremlagt i en artikel i denne uges udgave af Science.
Det kan selvfølgelig ikke udelukkes, at der stadig gemmer sig en eller anden uidentificeret fejlkilde i eksperimenterne. Men noget tyder på, at enten er protonen mindre, end fysikerne hidtil har troet, eller også, at fysikerne bliver nødt til at se på hele grundlaget for QED.
Det sidste vil næsten være en større omvæltning end det første.
Dokumentation
Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen
How Big Is the Proton?
