Tất cả các nguyên tử đều được cấu thành từ các electron xoay quanh hạt nhân. Các hạt nhân lần lượt được tạo thành từ hai loại hạt cơ bản là nơtron và proton. Từ rất lâu nay, hạt proton được biết đến với bán kính là 0,8768 fm (femtometer).

Bán kính của proton được xác định là khoảng cách mà tại đó mật độ điện tích giảm dưới một giá trị nhất định. Bán kính đó được đo bằng cách cho tán xạ các electron từ hydrogen hoặc quan sát sự chênh lệch giữa các mức năng lượng nhất định của nguyên tử hydrogen (hay còn được gọi là dịch chuyển Lamb).

Kích thước của proton là một giá trị quan trọng trong thuyết điện động lực học lượng tử (thường được gọi là thuyết QED), nền tảng cơ bản của ngành vật lí hạt nghiên cứu lực tự nhiên và hạt cơ bản.

Tuy nhiên, giá trị hiện thời của proton cũng chỉ chính xác khi cộng hoặc trừ một phần trăm chứ không đạt đến độ chính xác để có thể cho một kết quả hoàn hảo trong điện động lực học lượng tử. Vì thế, các nhà vật lí đã tìm kiếm các cách thức khác nhau nhằm tinh chỉnh kích thước này.

Kích thước siêu nhỏ của proton được phát hiện nhờ tia laser

Trong cuộc thử nghiệm được tiến hành trên 10 năm, nhóm nghiên cứu của Viện quang học lượng tử Max-Planck tại Garching, Đức mà đứng đầu là nhà nghiên cứu Randolf Pohl đã sử dụng một máy gia tốc hạt để làm biến đổi các nguyên tử hydrogen. Từ đó, tạo ra một proton duy nhất quay quanh nó là electron.

Với mỗi một nguyên tử hydrogen, các nhà nghiên cứu thay thế một electron bằng một muon với kích thước lớn hơn 200 lần so với một electron.

"Bởi vì hạt muon nặng hơn, quỹ đạo của nó rất gần với các hạt proton. Do đó, nó nhạy cảm hơn với kích thước của các hạt proton", ông Aldo Antognini, một thành viên trong nhóm nghiên cứu thuộc Viện Paul-Scherrer ở Thụy Sĩ đã phát biểu.

Hạt muon không bền chặt, chúng phân tách thành hạt khác chỉ trong vòng 2,2 microsecond. Nhóm nghiên cứu biết rằng việc bắn các tia laser trước khi hạt muon phân tách sẽ khiến cho hạt muon di chuyển với một quỹ đạo cao hơn, quanh proton.

Hạt muon sau đó sẽ phát xạ một năng lượng mạnh là tia X rồi chuyển đến một mức năng lượng thấp hơn. Tuy nhiên, khi dựa trên bán kính vẫn thường được được chấp nhận của proton, các thử nghiệm đã thất bại trong việc tạo ra tia X ở các tần số dự đoán.

Mùa hè năm 2009, các nhà nghiên cứu đã quyết định thử nghiệm trên các kích thước khác nhau của proton. Và thật ngạc nhiên, họ đã phát hiện ra tia X trong một thử nghiệm với bán kính proton giả định là 0,8418 fm, nhỏ hơn 4% so với kích thước vẫn được nói đến trước đây. Nhà nghiên cứu Antognini nói: "Chúng tôi thực sự ngạc nhiên và chưa có bất kì lời giải thích nào ở thời điểm hiện tại".

Kích thước mới của proton sẽ là một chấn động khoa học

Việc phát hiện ra kích thước của proton nhỏ hơn so với con số vẫn được trước đây sẽ không tác động quá nhiều đến cuộc sống hằng ngay của người dân. Thế nhưng, nếu phát hiện này được chứng minh là chính xác thì đồng nghĩa với việc là sẽ có những lỗi sai căn bản trong vật lí.

Proton có kích thước nhỏ hơn có nghĩa là hằng số Rydberg không chính xác. Hoặc nếu hằng số Rydberg là chính xác thì việc proton có kích thước nhỏ hơn sẽ đồng nghĩa với việc các phương trình trong lý thuyết QED không đúng.

"Đó là một chấn động và có thể sẽ gợi ra những suy nghĩ hoàn toàn mới về QED, tạo tiền đề cho một lí thuyết mới", ông Jeff Flowers, Phòng Thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh, đã phát biểu.

Trong thời gian tới, các nhà vật lí trên toàn thế giới sẽ tiến hành kiểm tra, rà soát việc thiết lập các nghiên cứu thử nghiệm, kiểm tra và tính toán để đảm bảo không có những sai sót trong các nghiên cứu này. Nếu quá trình này không tìm thấy lỗi của các thử nghiệm thì các nhà khoa học sẽ làm việc để xây dựng lại kích thước tiêu chuẩn của proton.