ניסוי שנועד למדוד את רדיוס הפרוטון, גודל פיזיקלי מוכר ובסיסי, הניב תוצאות שונות מאוד מהצפוי. אי ההתאמה בין תוצאות המדידות הקיימות לתוצאה החדשה לא ניתנת ליישוב בכלים שיש בידינו כרגע. זוהי תוצאה מרתקת, היכולה להוביל לשינוי משמעותי של האופן בו אנו מבינים מודלים יסודיים של מכניקת הקוונטים.

למודלים פיזיקליים חשיבות רבה ביכולתנו להבין את העולם. כדי שנוכל להפיק תובנות מניסוי, יש צורך בהקשר מתאים לתוצאותיו. ההקשר הזה נבנה בעזרת תיאור הנקרא "מודל" [1]. מודל הוא תיאור מקורב של המערכת, המאפשר לנו להבין את התנהגותה. למשל, בלתי אפשרי להבין גלי ים בעזרת האטומים המרכיבים אותם. לכן, אנו משתמשים במודל המתאר את הגל בעזרת תנועה מקורבת של חלקיקים רבים יחד.

המודל הסטנדרטי [2] הוא התיאוריה המובילה כיום לתאור החלקיקים היסודיים בטבע והתגובות ביניהם, למשל, האלקטרון ורכיביו הפנימיים של הפרוטון. כמו תורות מדעית אחרות, הוא נכון תחת הנחות מסוימות וצפוי לקבל תיקונים כשהן ישברו. חוקרים רבים מנסים למצוא את הנקודות בהן המודל כושל, כדי לפתח מודל טוב יותר, שיזדקק גם הוא לתיקונים, כשישגה בתורו. בכל זאת, למודל הסטנדרטי הצלחות רבות, והוא נחשב למודל המדוייק ביותר שפותח בתחום המדעים המדויקים כולם. המודל מתאר בצורה טובה את התנהגות החלקיקים היסודיים בסקלות אנרגיה של עד פי מאה ממסת הפרוטון. 

נתמקד כאן באי הצלחת המודל הסטנדרטי ליישב שתי תוצאות מדידה שונות זו מזו למדידת רדיוס הפרוטון. מהו רדיוס הפרוטון? באופן פשטני, ניתן לדמיין את הפרוטון ככדור בו מפוזר מטען חשמלי חיובי בצורה אחידה. הצורה בה מתפלג המטען במרחב תלויה במשתנים רבים, אך אנחנו נתמקד באחד - הרדיוס. בשל ההנחה כי רדיוס הפרוטון הוא גודל קבוע, אנו מצפים כי מדידת רדיוס הפרוטון בטכניקות שונות תיתן תוצאה זהה. 

את רדיוס הפרוטון נהוג למדוד בשתי שיטות שונות. בראשונה, ספקטרוסקופיה, לוקחים אטום מימן ומקרינים אותו באור כדי לעורר את האלקטרון שלו לרמה אנרגטית גבוהה, רחוק מאוד מהפרוטון. לאחר זמן מה הוא חוזר לרמת היסוד שלו ופולט את האנרגיה שקיבל בצורת חלקיק אור (פוטון). לרוב, האלקטרונים כה קרובים לגרעין, עד שהם מבלים זמן גדול מאפס בתוך הגרעין, ולכן מושפעים ממבנה גרעין האטום. האנרגיה שפולט האלקטרון מספקת מידע על מבנה האטום, המסייע  להעריך מהו הגודל הסביר ביותר של רדיוס הפרוטון. 

בשיטה השנייה, שהיא מדידת הפיזור, לוקחים קרן של אלקטרונים, "יורים" אותה על גרעין מימן, ומתבוננים לאן התפזרו החלקיקים לאחר הפגיעה. מפיזור החלקיקים ניתן לחשב את הגודל של ה"דבר" ממנו התפזרו, במקרה שלנו, הפרוטון.

עד לשנת 2010 בוצעו עשרות מדידות מהסוגים שהזכרנו ותוצאותיהן התאימו זו לזו. אולם, בשנה זו בוצעה לראשונה מדידת ספקטרוסקופיה על מימן מיואוני, אטום מימן בו הוחלף האלקטרון בחלקיק בשם מיואון. מיואון זהה בכל הפרמטרים לאלקטרון, על פי הבנתנו הנוכחית, מלבד היותו כבד יותר בערך פי 200. ההבדל הזה לא אמור לשנות את התוצאה, אלא להפוך אותה למדויקת יותר. מטרת הניסוי שבוצע על ידי הקבוצה [3] CREMA היתה להוסיף ערך מדויק יותר לסדרת המדידות של גודל הפרוטון.

לתדהמת החוקרים, מדידה זו נתנה ערך חדש, הקטן מהקודם בכ-4%. תוצאה זו היא דרמטית, מכיוון שכפי שהזכרנו, המודל הסטנדרטי המודל המדויק ביותר שייצרנו אי פעם, ולא אמור היה להיות הבדל כלשהו. ההבדל בין המדידות לא יכול להיות מוסבר משגיאות המדידה, והמודל עצמו לא חוזה אותן. לכן נקרא האפקט: "תעלומת רדיוס הפרוטון".

כמדענים, חשוב לנו להבין טוב יותר את העולם שסביבנו, ולפתח מודלים מדויקים יותר שיסבירו אותו. הניסוי הציב מולנו הוכחה לכך שאנו לא מבינים משהו בסיסי ועמוק בחוקי הטבע - פרוטון אמור להיות חלקיק יחסית פשוט (גם אם לא יסודי). בנוסף, כ-75% מהחומר הנראה ביקום בו אנו חיים מורכב מגז מימן, המורכב מגרעין בעל פרוטון [4] אחד ואלקטרון הסובב אותו. מכאן, שאנו כנראה לא מבינים כראוי אחוז ניכר מן החומר ביקום. ההשלכות של הבנת התוצאה וישוב המחלוקת בין המודל לתצפית בעזרת מודל איכותי יותר, היא קריטית. אין לדעת אילו תובנות נוספות נשיג מהבנת האפקט במלואו.

כיאה לתעלומה כה חשובה, כבר בשנת 2011 - כשנה לאחר הגילוי - החלו קבוצות מחקר מסביב לעולם לחפש הסברים לתופעה, בעיקר דרך "שיפוץ" התיאוריה או הצעת ניסוי משלים. בין היתר, קבוצת מחקר בשם MUSE (מוזה) [5] מסיימת לבנות בימים אלו גלאים שבנייתם החלה בשנת 2012. שישמשו לניסוי משלים, שבתקווה ישפוך אור על התעלומה ויעזור לברור בין שלל ההצעות הקיימות לתיקון המודלים שלנו. מהות הניסוי היא ביצוע של פיזור מיואונים על פרוטונים (מימן נוזלי),בניגוד למדידת ספקטרוסקופיה של מימן מיואוני, בכדי להשלים חלק נוסף בפאזל. בין מכוני המחקר והאוניברסיטאות ששותפות בפרויקט זה נמנות שתי קבוצת מחקר ישראליות, בראשות פרופ' אלי פיסצקי, מאוניברסיטת תל אביב ופרופ' גיא רון מהאוניברסיטה העברית.

אירועים אלו הם בין המרגשים ביותר שיכולים לקרות, ויתכן שאנו עומדים בפתחה של מהפכה באופן בו אנו תופסים את אחד החלקיקים הנפוצים ביותר ביקום.

מקורות וקריאה נוספת

[1] מהו מודל

[2] המודל הסטנדרטי

[3] המאמר המקורי בו גילתה הקבוצה CREMA כי הפרוטון לא מתאים לתיאוריה

[4] מהו פרוטון?

[5] התכן העקרוני לניסוי MUSE במאיץ החלקיקים ב-PSI