Nguyên tử nhỏ hơn 7 lần so với chúng ta từng biết

Vào năm 2010, một nhóm các nhà khoa học đã tìm thấy sự khác biệt trong phương pháp đo proton truyền thống khi họ thực hiện kỹ thuật đo lường mới trên một nguyên tử được gọi là deuteron.

Proton là những hạt được tìm thấy bên trong hạt nhân nguyên tử. Theo kết quả của Ủy ban Quốc tế về Dữ liệu Khoa học và Công nghệ (CODATA) đo đạc được từ nhiều năm trước, bán kính của proton được cho là vào khoảng 0,877 femtomet (1 femtomet bằng 1×10^-15 mét).

Tuy nhiên, nhà khoa học Randolf Pohl cùng các đồng nghiệp từ Viện nghiên cứu Max Planck về Quang học Lượng tử ở Garching, Đức đã tìm thấy sự khác biệt lớn so với con số được chấp nhận trước đó vào năm 2010 và một lần nữa vào năm 2013 sau khi sử dụng kỹ thuật đo lường mới.

Proton là những hạt được tìm thấy bên trong hạt nhân nguyên tử.

Pohl và nhóm của mình sử dụng công nghệ mới để phân tích sự thay đổi năng lượng quanh hạt nhân hydro ở quy mô hạt muon. Muon là các hạt hạ nguyên tử không ổn định có cùng lớp như electron, nhưng có khối lượng lớn hơn khoảng 200 lần.

Bằng cách chuyển electron nguyên tử hydro cho các hạt muon nặng hơn, các nhà nghiên cứu đã thay thế thành phần hạt proton và electron của một nguyên tử. Sau khi ghi lại hình ảnh sự thay đổi của nguyên tử bằng một chùm tia laser, các nhà nghiên cứu đã đo đạc sự thay đổi về mức độ năng lượng, cho phép họ tính toán hạt nhân proton của nguyên tử.

Đo đạc của Pohl và nhóm nghiên cứu cho kết quả bán kính nhỏ hơn 4% so với con số của CODATA. Điều này gây nên sự tranh luận về bán kính của proton. Nhưng trước khi các nhà khoa học đi sâu vào câu hỏi tại sao bán kính của nó lại nhỏ như thế, thì họ phát hiện một sự khác biệt trong kết quả từ máy quang phổ của CODATA.

Deuteron là một đồng vị của nguyên tử hydro, có một proton và neutron tại hạt nhân của nó.

Theo bài nghiên cứu trên Tạp chí Science, các nhà khoa học cho biết rằng tính toán của CODATA trên hạt nhân nguyên tử deuterium, hay còn gọi là deuteron, có thể bị sai sót sau khi được kiểm chứng với kỹ thuật đo lường mới. Deuteron là một đồng vị của nguyên tử hydro, có một proton và neutron tại hạt nhân của nó.

Bằng cách kết hợp phép đo thực tế và lý thuyết, các nhà nghiên cứu đã đưa ra bán kính của deuteron là 2,125 femtomet – nhỏ hơn 0,8% so với bán kính deuteron được đo bởi CODATA.

Bán kính của deuteron là 2,125 femtomet – nhỏ hơn 0,8% so với bán kính deuteron được đo bởi CODATA.

"Như vậy, cả kích thước của proton và nguyên tử deuteron theo kết quả cũ khi trên các các electron đều mâu thuẫn với giá trị thu được khi đo đạc với kỹ thuật mới trên các hạt muon", trích một đoạn trong bài nghiên cứu đăng tải trên Science.

Tuy nhiên, dù đã có kết quả mới nhưng các nhà khoa học vẫn không có cách nào để giải quyết chúng tương ứng với lý thuyết hiện hành. "Sự khác biệt này chỉ ra lỗi thử nghiệm hay lỗi lý thuyết, hoặc thậm chí liên quan đến các vấn đề vật lý ngoài mô hình chuẩn".

Thay vì chỉ đơn giản chứng minh kết quả đo đạc của CODATA là sai sót, các nhà nghiên cứu nghĩ đến vấn đề có điều gì đó không ổn trong tâm nguyên tử, và khiến các vấn đề khó hiểu về bán kính proton càng trở nên khó hiểu hơn.