Изминаха 100 години, откакто Ернест Ръдърфорд публикува своите резултати, доказващи съществуването на протона.

Десетилетия наред протонът се смяташе за елементарна частица. Но откакто изследователите започнаха да обстрелват протоните с електрони през 60-те години на миналия век, експериментите разкриха, че протонът има сложна вътрешна структура.

Един век по-късно обаче все още има много загадки около протона - произходът на неговия спин, разпада ли се протонът за дълъг период от време и озадачаващата, макар и на прага на своето разрешаване, стойност на неговия радиус.

Кризата на спина на протона

В един протон има три кварка - 2 горни и един долен кварк и се очаква сумата на спиновете на кварките да е равна на общия спин на протона от ½. Обаче измерванията на спиновете на кварките в експерименти в ЦЕРН с дълбоко нееластично разсейване, показват, че това не е така.

_{Структурата на протона 2 горни и един долен кварк.} 

В този експеримент на ЕМС (European Muon Collaboration) бе установено, че броят на кварките със спин в посоката на спина на протона е почти същия като брой на кварките, чийто спин е в обратна посока. Това означава, че приносът към общия спин на протона от кварките е далеч по-малък от 100%, той е почти нулев (4–24%). Този изненадващ и озадачаващ резултат бе наречен "криза на протонния спин".

Подобни резултати са получени в по-късни експерименти.

Последните изчисления показват, че 50% от протонния спин идват от поляризацията на глуоните - "слепващите" кварките в протона бозони. И ако кварките са материални частици, то глуоните са частици, пренасящи взаимодействието.

Резултатите от експерименти от 2016 г. в RHIC (Колайдер на релативистични тежки йони) показват, че спиновете на глуоните може да имат дори по-голям принос за общия спин на протоните, отколкото кварките. 

Опитите за пълно разрешаване на проблема са една от целите на експериментите в Големия адронен колайдер.

Колко дълго "живее" протонът

Протонът е частица с положителен електричен заряд и маса около 1836 пъти по–голяма от тази на електрона. Протонът се разглежда като стабилен, макар някои теории да предсказват, че е възможен пълен разпад на частицата. 

Според Стандартния модел протоните са стабилни и няма да се разпадат в други частици самостоятелно, защото те са най-лекият и следователно най-ниско енергиен барион. Бета плюс разпадът, при който протонът се превръща в неутрон - не е разлагане на протона, тъй като протонът взаимодейства с други частици в атома.

Когато Ръдърфорд открива протона през 1919 г., единствената друга основна съставка на материята, за която се знаеше, бе електронът. Няма начин протонът да може да се разпадне, без да нарушава симетрията на заряда. Десет години по-късно Херман Уейл предлага първата версия на закона за запазването на барионното число. Дори и след откритията на позитрона и положителните мюони и пиони - всичките по-леки от протона - няма особена причина да се поставя под съмнение стабилността на протона. Както посочва Морис Голдхабер (Maurice Goldhaber) живот на протона, по-малък от 10 ¹⁶ години, би трябвало да го чувстваме в костите си, защото телата ни ще бъдат смъртоносно радиоактивни. По-късно той казва, че изчезването на протон ще остави ядрото ​​във възбудено състояние, което може да доведе до делене. Наблюдавайки отсъствието на спонтанно делене в ²³²Th, Голдхабер изчислява живота на свързаните нуклони по-дълъг от 10 ²⁰ години, който други изследователи разширяват до 3  ×  10 ²³ години. Само да напомним, че възрастта на Вселената не надвишава 14 милиадра години.

През 1966 г. Андрей Сахаров изложи условия, които биха могли да доведат до наблюдаваната асиметрия на частиците и античастиците на Вселената. Едно от тях е, че запазването на барионното число е само приблизително и би могло да бъде нарушено по време на фазата на разширяването на ранната Вселена. Около 1974 г., когато се появиха предложения за обединени теории (GUT - Grand Unified Theory). Те не само обединиха силните, слабите и електромагнитните сили, но и тясно свързаха кварки и лептони, позволяващи незапазването на барионното число. 

^{Експериментът Super-Kamiokande в Япония определи най-високата долна граница за протонния разпад.} 

Това дава основание за специални експерименти с разпад на протона - само до 1981 г. това са седем  експеримента, инсталирани дълбоко под земята. 

Въпреки значителните усилия протонният разпад никога не е наблюдаван. Ако той се разпадне през позитрон, периодът на полуразпад на протона е ограничен до 1.67 × 10 ³⁴години.

Днес теоретичното развитие на Великите обединителни теории продължава, а също изследването на стабилността на протоните в симбиоза с изследванията на неутриното.

^{При високи енергии и температури (каквито се предполага, че е имало в допланковата ера), всички взаимодействията стават симетрични, т.е. – уеднаквят се, всички фундаментални физически взаимодействия се сливат. Вселената е в едно единно симетрично състояние и всички взаимодействия са били обединени в една единна изначална суперсила. В теорията за Великото обединение това състояние фигурира като група на симетрия SO(5). След време, с понижението на енергията, Вселената преминава през последователни фазови преходи, при които от обединеното взаимодействие се отцепват отначало гравитационното взаимодействие, след това силното и накрая електрослабото взаимодействие се разпада на слабо и електромагнитно.}

Колко голям е протонът?

Експериментите през изминалото десетилетие поставиха под въпрос добре установените измервания на радиуса на протона, фундаментална константа, която характеризира колко се разпростира зарядът на протона в пространството. Това означава според физиците, че има сериозно разминаване в съвременните квантовомеханични теории и предизвика дори необичайни предположения, свързани с нуждата „нова физика”. Но скоро ще бъдат публикувани резултати, които обещават да разрешат загадката с протонния радиус веднъж завинаги.

Протонът, за разлика от популярните изображения, няма твърда физическа граница като топка за тенис. При толкова малки частици не може да става дума за точни размери, затова  радиусът на протона се определя от разстоянието, на което плътността на заряда спада под дадена стойност. А разпределението на заряда му е различно от това на един точков заряд, то приема формата на дипол по отношение на мащаба на взаимодействието и разпределение на заряда експоненциално спада като функция от разстоянието от центъра на протона.

До 2010 г. радиусът на протоните се измерва по два независими метода, чиито резултати се сближават до стойност от около 0.8768 фемтометра (1 fm = 10^-15 m).

Единият се основава на спектроскопия, чрез измерване на малките разлики между енергийните нива на електроните обвивки в атома на водорода (отместване на Лемб).

Точните измервания на количеството енергия, необходимо да се прехвърли електрон от една орбитала на друга осигуряват начин да се изчисли радиуса на протона. По този метод експериментите установиха, че средноквадратичният радиус е около 0.8768 ± 0.0069 фемтометра (1 fm = 10^-15 m) с приблизително 1% относителна несигурност.

Другият метод е подобен на експериментите на Ръдърфорд, които установяват съществуването на ядрото - електрони се изстрелват към протон и чрез измерване на разсейването на електроните, може да се направи извод за размера на протона. Това дава радиус на протона от около (8.775 ± 0.005) × 10⁻¹⁶ метра. 

Изненадата идва през 2010 г. на конференцията във Франция, посветена на ултрапрецизната физика на простите атомни системи. където са представени за първи път резултатите от експерименти за уточняване на радиуса на заряда на протона. Основната разлика при новия експеримент е, че за първи път се извършва не върху обикновен водород, както досега, а върху екзотични мюонови атоми. Мюонният атом е атом, в който един или няколко електрона са заменени с мюони - свръхтежки „роднини” на електрони, обикновено произвеждани от ускорители. Масата на мюона е около 200 пъти по-голяма от масата на електрона и затова мюонът може да се доближи и дори да навлезе вътре в протона. С помощта на лазери се измерват енергиите на мюонните нива с изключителна точност, много по-висока, отколкото във водородния атом. 

Оказа се, че новият радиус е 0,8414.10^-15 метра с точност от 0,0007 фемтометра, т.е. се различава от досега измерените с 4%.

Разликата може да изглежда малка, но тя е установена с много по-голяма прецизност от предишните резултати, затова не може да се пренебрегне. 

Това противоречие, наречено „загадката на протонния радиус”, предизвика безпрецедентно вълнение сред учените, занимаващи се с атомната физика. Неотдавнашните експерименти задълбочат проблема и много експерти вече говорят за „нова физика”.

Новите резултати са заплаха за безупречната репутация на квантовата електродинамика (КЕД), тя вярно служи на човечеството от самото си създаване, доказвайки своята предсказателна сила отново и отново в конкуренция с експериментите. Първи забелязва заплахата Jeff Flowers, един от редакторите на Nature, който отбеляза в списанието, че ако експериментите с високопрецизна спектроскопия на мюоновия водород са верни, то тогава в тях, а не в гигантските колайдери, може да се намери изход от рамките на Стандартния модел.

^{Графика, показваща наличието на резонанс при честота 49,881.88 гигахерца. Ординатната ос представя реалния брой на регистрираните действия на абсорбция на мюонния водород на излъчванията от лазера.} 

Разбира се, причината за несъответствието може да са грешки на експериментаторите, но последващите експерименти на колаборацията CREMA потвърдиха: всичко е наред с експеримента, нещо не е наред с теорията. Първият е проведен през 2013 г. и точността на определяне на радиуса на протона се увеличава почти два пъти, а самата стойност вече е 0.84087 ± 0.00039 фемтометра. През следващите години резултатите показват още по-голямо разминаване с теорията. През 2017 г. Миха Миховилович (Miha Mihovilovic) от Университета в Майнц и колегите му съобщават за интересно ниска стойност от 0.810 (82) fm, а резултатите от експеримента на Proton Radius (pRad) в лабораторията на Джеферсън имат подобен резултат с още по-малка несигурност - радиус на протона от 0.830 (20) fm. 

Към днешна дата са регистрирани повече от сто опита за решаване на тази загадка, но никой от тях не е получил одобрението на физическата общност. Добро или лошо е това? Разбира се, това е добро. В края на краищата физиката винаги се е развивала, когато пред нея са поставени такива загадки. Приятно е усещането, че може би живеем на прага на нова революция в квантовата физика.