Fysikere foretager den mest præcise måling nogensinde af protonernes magnetiske moment

Et internationalt samarbejde mellem forskere fra RIKEN's Ulmer Fundamental Symmetries Laboratory (FSL), Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Max Planck Institute for Nuclear Physics, Heidelberg og GSI Darmstadt, har brugt teknikker med høj præcision til at foretage den mest præcise måling til dato af protonets magnetiske moment, finder det at være 2.79284734462 plus eller minus 0.00000000082 nukleare magnetoner, den enhed, der typisk bruges til at måle denne ejendom. Det magnetiske øjeblik, en egenskab af partikler, der giver anledning til magnetisme, er en af ​​de grundlæggende egenskaber ved protonen og er nøglen til at forstå egenskaber som atoms struktur.

Omhyggeligt arbejde var påkrævet for at foretage disse hidtil usete målinger, som har en præcision bedre end en del pr. milliard. Først, forskerne måtte isolere en enkelt proton - ikke to eller tre ― i fælden. De gjorde dette ved at opdage det termiske signal fra de ioner, der sidder fast i fælden, og derefter bruge et elektrisk felt til at fjerne dem, indtil de stod tilbage med kun en.

Nøglen til den enorme præcision, imidlertid, var en kombination af ekstremt vanskelig teknik kombineret med evnen til at skifte protonen mellem to forskellige fælder.

Gruppens metode til direkte måling af en partikels magnetiske moment er baseret på det faktum, at en proton i en Penning -fælde justerer sit spin med fældens magnetfelt. Den grundlæggende metode er at bruge detektoren til at måle to frekvenser-kendt som Larmor (spin-precession) frekvensen og cyklotronfrekvensen af ​​protonen i et magnetisk felt. Disse kan bruges til at finde det magnetiske moment. Protonens cyclotronfrekvens kan måles ved hjælp af det, der kaldes Brown-Gabrielse invariance sætning, mens Larmor -frekvensen kan måles ved at køre spin -flips - ved hjælp af et radiofrekvenssignal, der opvarmer partiklen - og måle sandsynligheden for et spin -flip som en funktion af drivfrekvensen.

Den allerede høje præcision af disse målinger kan øges yderligere, imidlertid, ved hjælp af metoden med dobbeltfælde, hvor cyclotronfrekvensen måles, og spinovergange induceres i en første fælde. Protonen sendes derefter forsigtigt til en anden fælde, hvor centrifugeringstilstanden detekteres ved hjælp af en stor magnetisk inhomogenitet - en magnetisk flaske. Den rumlige adskillelse af frekvensmåling med høj præcision og registrering af centrifugering gør de ekstremt præcise målinger mulige.

For de nuværende forsøg, tre individuelle protoner blev brugt til i alt 1, 264 forsøgscyklusser, hver tager cirka 90 minutter. Hele forsøget krævede cirka fire måneder inklusive vedligeholdelse og systematiske krydstjek.

Ifølge Georg Schneider, den første forfatter til papiret, "For at komme videre i partikelfysik, vi kræver enten højenergifaciliteter eller superpræcise målinger. Med vores arbejde tager vi den anden vej, og vi håber i fremtiden at lave lignende forsøg med antiprotoner ved hjælp af den samme teknik. Dette giver os mulighed for at få en bedre forståelse af, for eksempel, atomstruktur. "

Ifølge Andreas Mooser, anden forfatter af undersøgelsen og medlem af RIKEN FSL, "Ser frem til, ved hjælp af denne teknik, vi vil være i stand til at foretage tilsvarende præcise målinger af antiprotonen ved BASE -eksperimentet i CERN, og dette vil give os mulighed for at lede efter yderligere tip til, hvorfor der ikke er noget antimateriale i universet i dag. "

Værket blev udgivet den 23. november i Videnskab .