Krympning af protonen:Forskere bekræfter den lille værdi af protonradius bestemt ud fra muonisk brint

Det var et af årets gennembrud:Laserspektroskopi af muonisk hydrogen resulterede i en værdi for protonladningsradius, der var betydeligt mindre, med fire standardafvigelser, end tidligere bestemmelser ved hjælp af almindeligt brint. Denne uoverensstemmelse og dens oprindelse har tiltrukket megen opmærksomhed i det videnskabelige samfund, med implikationer for den såkaldte fysiske standardmodel.

Nu, et team af forskere fra laserspektroskopi -afdelingen af ​​professor Theodor W. Hänsch ved Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching har foretaget en ny spektroskopisk måling af almindeligt brint ( Videnskab , 6. oktober 2017). De resulterende værdier for Rydberg -konstanten og protonradius er i god overensstemmelse med de muoniske resultater ( Natur 466, 213 (2010)), men er uenig med 3,3 standardafvigelser med gennemsnittet af de tidligere bestemmelser fra almindeligt brint.

Brint er den enkleste af alle kemiske grundstoffer. Efter den model, Niels Bohr foreslog i 1913, den består af en enkelt proton og en elektron, der kredser omkring den. Teorien om kvanteelektrodynamik forudsiger energisystemet i dette system med 12 cifre præcision. På grund af dette, brint spiller en central rolle i vores forståelse af naturen. Dens undersøgelse tillader bestemmelse af grundlæggende konstanter som Rydberg -konstanten og protonladningsradius.

Brint er således det ideelle emne til test af naturlovene. Det er derfor en måling på muonisk brint, hvilket resulterer i en overraskende lille værdi for protonladningsradius, lavede store bølger i 2010. I dette forsøg, udført på Paul Scherrer Institute i Villingen, Schweiz, elektronen i brintatomet erstattes med sin søsterpartikel, den 200 gange tungere og kortlivede muon. Laserspektroskopi af dette muoniske brint resulterede i en værdi af protonradius, der var ekstremt præcis, men fire procent mindre end tidligere målinger på almindeligt brint. "Da muonen er 200 gange tungere end elektronen, den kredser meget tættere på protonen og 'mærker' dens størrelse, "forklarer prof. Randolf Pohl (nu ved Johannes Gutenberg-Universität Mainz), medlem af MPQ -teamet. "På grund af dette, protonradius har en syv størrelsesorden større indflydelse på de spektrale linjer end i almindeligt brint. Dette giver os mulighed for at bestemme protonradius med så høj præcision. "

Den store uoverensstemmelse mellem målingerne af almindeligt brint og dets eksotiske fætter har udløst mange debatter om dets oprindelse. "Imidlertid, nogle af de tidligere målinger stemmer faktisk overens med den muoniske værdi. Protonradiusens indflydelse på energiniveauet i almindeligt brint er lille, og selv meget høje præcisionsmålinger kæmper for at løse det. Uoverensstemmelsen bliver kun signifikant, når alle målinger er gennemsnitlige, "forklarer Lothar Maisenbacher, en af ​​kandidatstuderende, der arbejder på projektet. "Det er derfor, for at løse dette 'proton radius puslespil', nye individuelle målinger med høj præcision, og, hvis det er muligt, brug af forskellige eksperimentelle tilgange er nødvendige. "

For at bestemme både Rydberg -konstanten og protonladningsradius ud fra spektroskopi af almindeligt brint, to forskellige overgangsfrekvenser skal måles. Den klart skarpeste resonans, den såkaldte 1S-2S-overgang, fungerer som en hjørnesten i denne bestemmelse. Dens frekvens er blevet målt, i 2011, til 15 cifre af MPQ -teamet ( Fys. Lett . 107, 203001 (2011)). Denne høje præcision blev muliggjort ikke mindst ved opfindelsen af ​​frekvenskammen, hvortil professor Hänsch blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2005. For den nødvendige frekvensmåling, MPQ-teamet valgte den såkaldte 2S-4P-overgang, som forbinder den metastabile 2S -tilstand med den meget kortere levede 4P -tilstand.

I forsøget, denne overgang exciteres af en laser med en bølgelængde på 486 nm, og den indsamlede fluorescens fra henfaldet i 4P -tilstanden tjener som et signal. Apparatet, der tidligere blev anvendt til 1S-2S-målingen, tjener som en kilde til atomer i 2S-tilstanden. Sammenlignet med tidligere forsøg, som brugte atomer ved stuetemperatur, atomer, der er undersøgt her, har en væsentligt lavere temperatur på 5,8 Kelvin og, følgelig, en meget lavere hastighed. Det her, sammen med særligt udviklede teknikker, undertrykker kraftigt Doppler -skiftet, som udgør den største kilde til usikkerhed for denne måling.

"En anden kilde til usikkerhed i dette eksperiment er den såkaldte kvanteinterferens, "forklarer Lothar Maisenbacher." Hvis vi kunne undersøge en enkelt, isoleret overgang, formen af ​​den resulterende spektrallinje ville være symmetrisk. Imidlertid, i vores tilfælde er der to andre øvre tilstande, der kan exciteres af laseren, kaldet 4P1/2 og 4P3/2. Dette resulterer i en lidt asymmetrisk form af de spektrale linjer, gør bestemmelsen af ​​linjecentret mere udfordrende. Selvom dette er en meget lille effekt, det spiller en stor rolle for os, fordi vi bestemmer linjecentret med en så høj præcision på næsten en del i 10, 000 af linjebredden. "

For at beskrive kvanteinterferensens indflydelse, forskerne udførte sofistikerede numeriske simuleringer, som er i meget god overensstemmelse med de eksperimentelle resultater. "I vores tilfælde, imidlertid, en specielt afledt, enkel pasform -funktion er tilstrækkelig til at fjerne virkningerne af kvanteinterferens, "understreger Vitaly Andreev, også en kandidatstuderende på projektet. "Vi bruger denne pasform -funktion til vores dataevaluering. På denne måde kan simuleringen er kun nødvendig for små korrektioner i størrelsesordenen 1 kHz. "

Med dette, det lykkedes MPQ-teamet at bestemme frekvensen af ​​2S-4P-overgangen med en usikkerhed på 2,3 kHz. Dette svarer til en fraktionel usikkerhed på 4 dele ud af 10 ¹² , hvilket gør dette til den næstbedste spektroskopimåling af brint efter den førnævnte 1S-2S overgangsmåling. Ved at kombinere disse resultater, Rydberg -konstanten og protonstørrelsen er bestemt til at være R _∞ =10973731.568076 (96) m ^-1 og r _s =0,8335 (95) fm, henholdsvis.

"Vores måling er næsten lige så præcis som alle tidligere målinger på almindeligt brint kombineret, "opsummerer prof. Thomas Udem, projektlederen. "Vi er i god overensstemmelse med værdierne fra muonic hydrogen, men er uenig med 3,3 standardafvigelser med brintverdenens data, for både Rydberg -konstanten og protonradius. For at finde årsagerne til disse uoverensstemmelser, yderligere målinger med måske endnu højere præcision er nødvendige. Trods alt, man skal huske på, at mange nye opdagelser først viste sig som uoverensstemmelser. "