Co jest mniejsze: elektron czy proton?

Pytanie

Pyta Mariusz

Co jest mniejsze: elektron czy proton?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Mniejszy jest elektron. Proton jest stanem związanym kwarków i gluonów, którego rozmiary wynoszą około $10^{-15}$ metra (jedna miliardowa jednej milionowej metra). W przypadku elektronu wszystkie wykonane dotąd eksperymenty są zgodne z teorią zakładającą, że jego rozmiar jest zerowy. Oznacza to, że rozmiar elektronu jest albo naprawdę zerowy, albo mniejszy niż mogłyby to wykryć dotychczas wykonane eksperymenty.

Zderzenia elektronów i pozytonów w akceleratorze LEP wykonywane były z maksymalną energią przekraczającą $200 m_p c^2$, gdzie $m_p$ jest masą protonu, a $c$ — prędkością światła. Oznacza to, że testowane były oddziaływania na odległościach tak małych, jak około jedna dwusetna rozmiaru protonu. Gdyby rozmiar elektronu był niezerowy i mniejszy np. tylko dziesięciokrotnie od rozmiaru protonu, to wyniki tego eksperymentu nie byłyby raczej zgodne z teorią zakładającą zerowy rozmiar elektronu. Z drugiej strony, gdyby elektron miał rozmiar np. milion razy mniejszy od protonu, to teoria ta mogłaby być nadal bardzo dobrym przybliżeniam w przypadku rozważanego eksperymentu.

W zderzeniach protonów w akceleratorze LHC testowane są oddziaływania na odległościach tak małych, jak jedna pięciotysięczna rozmiaru protonu. Nadal nie obserwujemy odstępstw od przewidywań teorii zakładającej zerowy rozmiar elektronu.

Elektron jest cząstką kwantową, której własności opisane są przez tzw. funkcję falową. Obszar, w którym ta funkcja falowa przyjmuje wartości istotnie różne od zera może być dowolnie duży. Przykładowo, funkcje falowe elektronów w atomach (tzw. orbitale elektronowe) są istotnie różne od zera na obszarach tysiące (na ogół dziesiątki lub setki tysięcy) razy większych niż rozmiar protonu. Tak więc proton jest znacznie mniejszy niż typowe rozmiary orbitali elektronowych w atomach.