Povečaj / Slika elektronskih orbitalov atoma vodika, posnetih z a kvantni mikroskop leta 2013. Fiziki se trudijo razrešiti konfliktni eksperimentalni rezultati z uporabo vodikovih atomov na protonov polmer skoraj desetletje.APS / Alan Stonebraker
Fiziki z univerze York v Torontu so preživeli zadnje osem let natančno izvedel občutljiv poskus izmerite polmer naboja protona v upanju, da se razreši nasprotujoče si vrednosti, pridobljene z več podobnimi poskusi izvedeno v zadnjem desetletju. To glavno besedo so poimenovali “uganka s polmerom protona.” Novi rezultati, objavljeni v novem prispevek v Science, potrdijo ugotovitev iz leta 2010, da je proton bistveno manjši, kot so prej verjeli znanstveniki.
Zanese se večina popularizacij, ki razpravljajo o strukturi atoma o zelo zlorabljenem Bohrovem modelu, v katerem se elektroni gibljejo okoli jedro v krožnih orbitah. Kot drog za fiziko je v redu, tako rekoč, vendar nam kvantna mehanika daje veliko bolj natančno (čeprav bolj čudno) opis. Elektroni v resnici ne krožijo jedro; so tehnično valovi, ki prevzamejo delce podobne lastnosti, ko izvedemo poskus, da ugotovimo njihov položaj. Medtem ko krožijo okoli atoma, obstajajo v superpoziciji stanj, delcev in valov, z valovno funkcijo, ki obsega vse verjetnosti svojega položaja naenkrat. Meritev bo propadla valovno funkcijo, ki nam daje položaj elektrona. Naredite serijo takih meritev in narisati različne položaje, in prineslo bo nekaj podobnega vzorcu v obliki meglene orbite.
Kvantna čudnost sega tudi na protone. Tehnično je sestavljen iz treh nabitih kvarkov, ki jih je povezal močan jedrnik silo. Je pa meglen, kot oblak. In kako lahko govorimo o tem polmer oblaka? Fiziki se za to zanašajo na gostoto naboja, podobna gostoti molekul vode v oblaku. Polmer v protona je razdalja, na kateri se gostota naboja spusti pod določen prag energije. In to je mogoče izmeriti polmer s preučevanjem interakcije elektrona s protonom preko bodisi s poskusi s sipanjem elektronov bodisi z uporabo elektrona ali muona spektroskopija za pregled razlike med atomsko energijo stopnje. (Imenuje se “Jagnječja izmena”, po nobelovem nagrajencu Wallisu Jagnje, ki je premiko prvič izmeril leta 1947.) Kombinirana mehkoba elektrona in protona pomeni, da je elektron lahko kjerkoli znotraj te regije, tudi znotraj protona.
Atomi vodika so najpreprostejša jedra, z enim samim protonom obkrožen z elektronom, tako da fizikalci to običajno imajo uporabili za svoje poskuse za merjenje polmera naboja protona. Dolgo časa je bila sprejeta vrednost 0,876 femtometrov – “svet” povprečje “številnih različnih meritev z dovolj vrsticami napak omogočiti prihodnje meritve.
Povečaj / Vodja skupine Eric Hessels v njegovem laboratoriju na univerzi v Yorku University
Najprej so povzročile meritve muonske spektroskopije težava v letu 2010. Za svoj eksperiment so fiziki v Max Inštitut za kvantno optiko Planck je nadomestil muonski vodik elektroni, ki krožijo po jedru z muonom, elektroni težje (in zelo kratkotrajne) sestre. Ker je skoraj 200-krat težji od elektrona, ima veliko manjšo orbito in tako veliko večja verjetnost (10 milijonov krat), da se nahaja znotraj protoni. In zaradi tega je deset milijonov krat občutljivejši kot merilno tehniko zaradi njene bližine protoni.
Randolf Pohl, eden izmed fizikov, ki je izvedel original Poskus iz leta 2010, je pojasnil osnovni koncept na sestanku 2013 Ameriškega fizičnega društva. “Predpostavimo, da je proton kroglica naboj, pri čemer elektroni plešejo skozi protone, “je dejal. “Ko je v središču protona, ga privlači enako z vseh strani, z naboji povsod okoli, tako da ni mreže privlačnost med protonom in muonom. To preusmeri celotno energijo stanje. To je učinek, ki ga gledamo z laserjem spektroskopijo, ko merimo razliko med dvema energijama ravni: ko je elektron znotraj in zunaj protona. ”
Fiziki so pričakovali, da bodo izmerili približno enak polmer za protona kot predhodne poskuse, le z manj negotovosti. Tam ne sme biti nobene razlike (razen mase in življenjske dobe) med elektrona in muona, teoretično. Namesto tega so izmerili a znatno manjši polmer protona 0,841 femtometer, 0,00000000000003 milimetrov manjši, precej zunaj ugotovljenega palice napak Bilo je pet standardnih odstopanj od vrednost, pridobljena z drugimi metodami.
“Zagotovo je to precej močan primer za manjša velikost pravilne velikosti. ”
Pohl in sod. leta preživela in ponovno preverjala svoje podatke, torej če je šlo za poskusno napako – ali če je osnova teorije kvantna elektrodinamika (QED, ki opisuje, kako deluje svetloba s materijo) je bil nekako napačno uporabljen – pomemben je. Teoretiki so razmislili, ali bi bilo treba QED sprejeti, da bi ga sprejeli upoštevajo možne majhne razlike v lastnostih muona. Najbolj vznemirljiva možnost: to bi lahko bil namig na novo fiziko onkraj standardnega modela. To je bilo vedno najmanj verjetno razlaga in v naslednjem desetletju je postalo še manj verjetno.
Kasnejše meritve različnih skupin niso bile prepričljive ali je večja ali manjša vrednost pravilna. Na primer, leta 2013 je ista mednarodna ekipa nastopila na podlagi muon poskusi, ki so potrdili njihovo vrednost v letu 2010, ustvarili so a meritev 0,84 femtometrov za polmer protona, z a neskladje 7 sigma. Še ena eksperimentalna variacija leta 2016 vključeval nadomeščanje elektrona z munom v atomu devterija – a težji izotop vodika, z nevtronom, pa tudi s protonom in elektrona. Ideja je bila, da bi se prisotnost nevtrona spremenila kako elektroni in mioni dojemajo naboj protona. Tudi to je bil v skladu z rezultatom 2010.
Vendar pa dva eksperimenta z običajnim vodikom za merjenje protonski polmer je dal mešane rezultate: študija leta 2017 za Theodorja Hänschova skupina (vključno s Pohlom) je tudi potrdila rezultat iz leta 2010, medtem ko je bila meritev leta 2018 v skladu z večjo vrednostjo prej poskus 2010. Tako so pred kratkim znanstveniki z univerze York se je odločil za elektronsko merjenje polnov protona, analogno prvotnim meritvam na podlagi muon iz leta 2010 v upanju, da približevanje različnih nasprotujočih si rezultatov soglasju.
Povečaj / Merilna naprava ekipe univerze York.N. Bezginov et al./znanost
Medtem ko so meritve muon zahtevale velike pospeševalce delcev za izdelavo muonov je uspelo ekipi univerze York eksperiment s namizno mizo – čeprav uporabljamo precej veliko namizje meri približno štiri metre (13 čevljev). In namerno so naredili a slepa meritev, da se prepreči vsakršna pristranskost, na koncu razkrijemo vrednost, ki so jo izmerili v osmih letih le nekaj tednov pred predložijo svoj prispevek v objavo. “Težko je narediti prepričani, da na nas ne vpliva nič, kar bi lahko zapletlo oz premična energetska stanja pri našem merjenju, “je dejal vodja skupine Eric Hessel. “Veliko osem let je bilo [veliko] preživetih v razumevanju vseh vidikov meritve, tako da lahko skrbno odpravite možnosti napak. ”
Rezultat: njihova meritev 0,833 femtometrov (tik pod en trilijont metra) se strinja z manjšo vrednostjo od Študija 2010. To je dobra novica za standardni model in slaba novica za tiste, ki upajo na novo vznemirljivo fiziko. “Ker je a neposredna primerjava, zagotovo naredi precej močan primer za manjša velikost je pravilne velikosti, “je dejal Hessels trenutno potekajo poskusi drugih skupin in pričakuje Skupnost se bo zbližala na podlagi soglasja, ko se bodo ti rezultati lotili v naslednjih nekaj letih.
“V osnovi želimo resnično razumeti, kakšni so vsi zakoni fizike so in če obstaja neskladje, ki ga nihče ne more razložite, obstaja možnost, da zakoni fizike niso razumel, “je dejal Hessels o motivaciji za to poskusi. “Če se dogovorimo za manjšo velikost protona, to postane še en gradnik tega, kar razumemo, in omogoča da uporabimo atom vodika za preizkušanje drugih stvari: za testiranje teorijo kvantne elektrodinamike z večjo natančnostjo ali za preizkus ali obstaja še kaj drugega kot standardni model leta 2007 fizika. ”
DOI: Znanost, 2019. 10.1126 / science.aau7807 (O DOI-ji).
