După 10 articole de introducere în fizica subatomică, a venit rândul să discutăm despre o nouă particulă elementară, frate al electronului: muonul, sau particula mu. Iar o coincidenţă fericită ne aduce chiar o ştire mare din fizica particulelor, apărută pe coperta ultimului număr din prestigioasa revistă Nature. Muonul a ajutat la măsurarea precisă a razei protonului şi spre surpriza tuturor, valoarea obţinută este cu 4% mai mică decât valoarea oficială. Aceasta are implicaţii imense asupra înţelegerii noastre a Universului mic, care va trebui ajustat corespunzător.
Din această serie de articole de istoria științei suntem deja familiari cu ideea că totul în jurul nostru este format din atomi, care sunt formaţi din câte un nucleu în jurul căruia se învârt electroni. Nucleele sunt formate la rândul lor din protoni şi neutroni. Aşadar, nucleele nu sunt punctiforme, ci au o rază şi un volum. Dar nici protonii şi neutronii nu sunt punctiformi, ci au o rază şi un volum. Aceasta pentru că fiecare din ei are o structură. Sunt constituiți din câte trei particule elementare denumite cuarci care schimbă între ei alte particule denumite gluoni. Protonul are, prin urmare, o rază care este dată de structura sa şi de mişcările particulelor elementare din interiorul său. Un proton singur reprezintă şi cel mai mic nucleu de atom din natură. Este chiar nucleul de hidrogen, căci un proton în jurul căruia se învârte un electron formează atomul de hidrogen. Spre deosebire de majoritatea atomilor care sunt creaţi în stele care transformă hidrogen şi heliu în atomi mai grei, atomii de hidrogen au fost creaţi chiar imediat după Big Bang prin acelaşi mecanism din care s-a format Universul nostru.
În ceea ce privește electronul, acesta nu are o structură, ci este o particulă elementară, cu rază zero şi volum zero.
Raza protonului a fost măsurată acum aproximativ 40 de ani şi de atunci nu s-au mai făcut alte măsurători. Dar iată că un experiment nou, de zece ori mai precis, a fost finalizat recent, după doisprezece ani de muncă, între care şase doar de verificare a rezultatului incredibil observat: raza protonului este cu 4 procente mai mică decât valoarea măsurată în trecut. În condiţiile în care teoriile fizicii particulelor elementare sunt precise la a treia zecimală, o diferenţă la zecimala a doua este şocantă şi retrimite fizicienii, atât pe teoreticieni, cât şi pe experimentatori, la foaia de hârtie, respectiv la acceleratoarele de particule.
CE ESTE MUONUL?
Muonul este o altă particulă elementară. Este de fapt tot un fel de electron, numai că de aproape 200 de ori mai masiv. Are tot sarcină electrică negativă și tot rază şi volum zero. Dar dacă un electron este stabil, adică trăieşte la infinit, un muon „moare” după cam 2 milionimi de secundă, dispărând şi lăsând în locul său un electron şi doi neutrino, particule de care vom vorbi în articolele viitoare. E suficient să înţelegem că un muon este un electron mai masiv, instabil, care se dezintegrează într-un electron şi alte particule după un timp foarte scurt pentru ochii noştri, dar foarte mare pentru lumea subatomică.
Atât de mare, încât fizicienii au reuşit să creeze cu ajutorul unui accelerator de particule de la Institutul Paul Scherrer din Elveţia (CERN nu are singurul accelerator de particule din Elveţia!) un fascicul de muoni cu care au bombardat un recipient ce conţinea atomi de hidrogen. Câteodată un muon disocia o moleculă de hidrogen în doi atomi de hidrogen, unuia dintre aceștia trimițându-i electronul în afară, pentru ca locul său să fie luat chiar de muon!
Cum muonul este tot un fel de electron, numai că mai masiv şi care trăieşte mai puţin, iată că se poate crea un nou tip de atom: un hidrogen muonic, unde în jurul protonului se învârte un muon, nu un electron. Dacă atomul cu electron trăieşte la infinit, atomul cu muon trăieşte doar vreo două milionimi de secundă. Cum acesta este un interval de timp mare pentru lumea subatomică, fizicienii au putut studia interacţia dintre proton şi muon. Fiind cam 200 de ori mai masiv ca electronul, muonul este mult mai aproape de proton decât ar fi electronul, iar acest lucru a permis măsurarea razei protonului mult mai precis ca până acum. Rezultatul surprinzător că de fapt raza protonului era supradimensionată cu 4% cere fizicienilor să revizuiască parametrii teoriei fizicii particulelor şi apoi predicţiile pe care aceasta le face. Va influenţa acest rezultat experimentele de la acceleratorul LHC? Rămâne de văzut continuarea acestei poveşti.
