Mest præcis måling af protonmasse

Hvad er massen af ​​en proton? Forskere fra Tyskland og Japan har taget et vigtigt skridt hen imod en bedre forståelse af denne grundlæggende konstant. Ved hjælp af præcisionsmålinger på en enkelt proton, de var i stand til at forbedre præcisionen med en faktor tre og også korrigere den eksisterende værdi.

For at bestemme massen af ​​en enkelt proton mere nøjagtigt, gruppen af ​​fysikere fra Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg og RIKEN i Japan udførte en vigtig højpræcisionsmåling i et meget avanceret Penning-fældesystem, designet af Sven Sturm og Klaus Blaum fra MPI-K, ved hjælp af ultrafølsomme enkeltpartikeldetektorer, der delvist er udviklet af RIKENs Ulmer Fundamental Symmetries Laboratory.

Protonen er kernen i brintatomet og en af ​​de grundlæggende byggesten i alle andre atomkerner. Derfor, protonens masse er en vigtig parameter i atomfysikken:Det er en af ​​de faktorer, der påvirker, hvordan elektronerne bevæger sig rundt i atomkernen. Dette afspejles i spektrene, dvs. de lyse farver (bølgelængder), som atomer kan absorbere og udsende igen. Ved at sammenligne disse bølgelængder med teoretiske forudsigelser, det er muligt at teste grundlæggende fysiske teorier. Yderligere, præcise sammenligninger af masserne af protonen og antiprotonen kan hjælpe i søgen efter den afgørende forskel – udover ladningens omvendte tegn – mellem stof og antistof.

Penning fælder er veldokumenterede som velegnede "skæl" til ioner. I sådan en fælde, det er muligt at begrænse, næsten på ubestemt tid, enkelt ladede partikler såsom en proton, for eksempel, ved hjælp af elektriske og magnetiske felter. Inde i fælden, den fangede partikel udfører en karakteristisk periodisk bevægelse ved en bestemt oscillationsfrekvens. Denne frekvens kan måles og massen af ​​partiklen beregnes ud fra den. For at nå den målrettede høje præcision, en udførlig måleteknik var påkrævet.

Kulstofisotopen ¹² C med en masse på 12 atommasseenheder er defineret som massestandarden for atomer. "Vi brugte det direkte til sammenligning, " siger Sven Sturm. "Først lagrede vi hver én proton og én kulstofion ( ¹² C ⁶⁺ ) i separate rum i vores Penning-fældeapparat, transporterede derefter hver af de to ioner ind i det centrale målekammer og målte dets bevægelse." Ud fra forholdet mellem de to målte værdier opnåede gruppen protonens masse direkte i atomare enheder. Målerummet var udstyret med specielt udviklet specialbygget elektronik. Andreas Mooser fra RIKENs Fundamental Symmetries Laboratory forklarer dens funktion:"Det gjorde det muligt for os at måle protonen under identiske forhold som carbon-ionen på trods af dens omkring 12 gange lavere masse og 6 gange mindre ladning."

Den resulterende masse af protonen, bestemt til at være 1,007276466583(15)(29) atommasseenheder, er tre gange mere præcis end den aktuelt accepterede værdi. Tallene i parentes henviser til de statistiske og systematiske usikkerheder, henholdsvis.

Spændende nok, den nye værdi er væsentligt mindre end den nuværende standardværdi. Målinger fra andre forfattere gav uoverensstemmelser med hensyn til massen af ​​tritiumatomet, den tungeste brintisotop (T = ³ H), og massen af ​​let helium ( ³ He) sammenlignet med det "halvtunge" brintmolekyle HD (D = ² H, deuterium, tung brint). "Vores resultat bidrager til at løse dette puslespil, da det korrigerer protonens masse i den rigtige retning, siger Klaus Blaum.

Florian Köhler-Langes fra MPIK forklarer, hvordan forskerne agter at forbedre nøjagtigheden af ​​deres måling yderligere:"I fremtiden, vi vil opbevare en tredje ion i vores fældetårn. Ved samtidig at måle bevægelsen af ​​denne referenceion, vi vil være i stand til at eliminere den usikkerhed, der stammer fra udsving i magnetfeltet." Værket blev udgivet i Fysisk gennemgangsbreve .