Ovu zbunjujuću činjenicu prvi put su 2010. godine otkrili njemački znanstvenici s instituta Max Planck. Nakon nedavne precizne potvrde čini se da će za rješavanje misterija trebati neka nova egzotična fizika ili neko drugo objašnjenje, ističu stručnjaci.

Promjer pozitivno nabijenog protona može se mjeriti samo neizravno, na temelju njegovih interakcija s negativno nabijenim elektronom. U jednoj metodi koristi se najjednostavniji atom vodika koji se sastoji od jednog protona i jednog elektrona. Prema kvantnoj mehanici elektron oko protona može kružiti samo na određenim udaljenostima ovisno o razini energije koju ima. Kada apsorbira ili oslobodi energiju u obliku fotona svjetlosti, on skače na višu (udaljeniju) odnosno nižu (bližu) orbitalu. Na temelju mjerenja energije fotona koju je oslobodio atom vodika, fizičari mogu otkriti koliko su međusobno udaljene različite energetske razine, a teorija poznata kao kvantna elektrodinamika potom omogućuje da se izračuna koliki može biti promjer kugle pozitivnog naboja da bi održao elektrone na određenoj udaljenosti.

Ova je tehnika pokazala da bi promjer protona trebao biti oko 0,877 femtometara (jedan femtometar je 10 na -15 m, odnosno jedna bilijarditina metra).

U eksperimentu koji su 2010. proveli Randolf Pohl i njegovi kolege s Instituta Max Planck proton je izmjeren još preciznijom metodom pomoću muona koji imaju isti naboj kao elektroni, ali čak 200 puta veću masu pa su osjetljiviji na dimenzije protona. Međutim, novo mjerenje nije bilo samo preciznije već je dalo i drugačije rezultate. Prema njemu proton ima za četiri posto manji promjer – velik je 0,8418 femtometara. To na prvi pogled ne izgleda kao neka velika razlika, no u svijetu fizike čestica, u kojem se teorija i eksperiment podudaraju do u decimale bilijarditine, predstavlja veliko iznenađenje. Rezultati su izazvali polemike među znanstvenicima. Neki su kritizirali njemačka mjerenja, dok su drugi tvrdili da nešto nije dobro u standardnom modelu fizike čestica.

Pohlov tim je konačno nedavno ponovio eksperiment. Najnovija mjerenja bila su još preciznija nego ona 2010, a proton je i dalje ostao za četiri posto manji nego u mjerenjima na vodiku.

Pohl pretpostavlja da bi misterij mogao imati tri objašnjenja. Prema prvom njihova bi metoda mogla biti pogrešna, međutim, to je malo vjerojatno jer su rezultati više puta potvrđeni. Prema drugom, najdosadnijem, eksperimenti elektronom nisu točni. Treće objašnjenje je najuzbudljivije! Prema njemu promjer protona mogao bi se mijenjati ovisno o tome s kojom česticom ulazi u interakciju. Ako se ono potvrdi to bi značilo da postoje nepoznate čestice koje mijenjaju način na koji muoni djeluju na protone. Te čestice mogle bi pak riješiti neke probleme na koje standardni model fizike trenutno nema odgovore. One bi mogle, primjerice, biti kandidati za misterioznu tamnu tvar od koje je sačinjeno čak 80 posto svemira.

Znanstvenici očekuju da bi budući eksperimenti kroz nekoliko godina trebali dati konačan odgovor na ovu enigmu.