Fysikere går sammen for at løse problemet med protonradius

Ti år siden, næsten enhver kernefysiker kunne fortælle dig den omtrentlige størrelse af protonen. Men det ændrede sig i 2010, da atomfysikere løftede sløret for en ny metode, der lovede en mere præcis måling. Den nye mængde kom op 4% kortere end forventet, sætte gang i en kamp inden for atom- og atomfysiksamfundene for at afgøre, om dette afvigende resultat skyldtes ny fysik eller en indikation af problemer med ekstraktionerne af mængden fra eksperimenter.

Nu, fire atomfysikere, to eksperimentalister og to teoretikere, tror, ​​at de har løst uoverensstemmelsen ved hjælp af eksperimentelle kernefysiske data og en avanceret fysisk model for at opnå en ny værdi for protonens størrelse. Resultatet blev offentliggjort i Fysisk gennemgang C i april.

At tage en målestok til protonen

En ting, som alle metoderne er enige om, er, at protonen er lille. Protonens ladningsradius, som måler størrelsen af ​​fordelingen af ​​elektrisk ladning i kernepartiklen, er en smule mindre end et femtometer, med et enkelt femtometer, der registrerer på en kvadrilliontedel af en meter.

Sagt på en anden måde, hvis du tager en meterpind og deler dens længde i en milliard lige store stykker, og tag så bare en af ​​disse stykker og del dens længde i yderligere en million stykker, længden af ​​hver af disse millioner stykker vil være et femtometer.

Fordi den er så lille, protonens ladningsradius kan ikke måles direkte. I stedet, atom- og atomfysikere bruger sofistikerede metoder til at bestemme protonstørrelsen.

"I bund og grund, det handler om protonens interaktion med elektromagnetiske felter, det er en del af det, der kaldes protonens elektromagnetiske struktur, eller protonens formfaktor, " forklarede Christian Weiss, en stabsforsker ved Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility i Center for Theoretical and Computational Physics. "Det, du måler, er størrelsen af ​​den rumlige fordeling af protonens elektriske ladning."

Two's Company, Tre er en skare

For omkring 30 år siden, atom- og atomfysikere fandt på to forskellige metoder til at bestemme denne elektriske ladningsradius.

Kernefysikere udfører eksperimenter via elektronspredning, hvor elektroner kastes mod protoner, og protonens ladningsradius bestemmes af ændringen i elektronernes vej, efter at de hopper af protonen.

"På en eller anden måde elektronen spreder altid så blidt fra den proton, " sagde Weiss.

Atomfysikere bruger også elektroner til at måle protonens radius. De observerer, ved hjælp af spektroskopi, energiniveauet for elektroner, når de kredser om en lille kerne, såsom brint (med én proton) eller deuterium (med en proton og en neutron).

Ved at bruge disse to forskellige metoder, en radius på omkring 0,88 femtometer blev fastsat som verdensværdien.

Derefter, i 2010, et atomfysisk forskerhold fremsatte en chokerende meddelelse. I en drejning af atomfysikmetoden, holdet målte energiniveauet af elektroner i kredsløb omkring laboratoriefremstillede brintatomer, der erstattede en elektron i kredsløb med en myon. Mens en myon er samme klasse af partikler som elektronen, den har 200 gange elektronens masse og kredser derfor meget tættere på protonen. Denne nærhed betyder, at protonens ladningsradius har en større effekt på dens kredsløb.

Den nye, mere præcis metode gav en måling på 0,84 femtometer, eller omkring 4 % mindre end verdensværdien.

Det nye resultat satte gang i et vanvid af aktivitet omkring en værdi, som de fleste fysikere troede allerede var afgjort. Yderligere elektronspredningsforsøg var planlagt, yderligere brint- og muonisk brintspektroskopi blev foretaget, og atom- og kerneteori blev genundersøgt for spor.

Fysikere står over for hinanden

Her på Jefferson Lab, den nye indsats galvaniserede en gennemgang af de eksperimenter, der blev brugt til at fastslå verdensværdien, og en gennemgang af nuklear teori for mere præcise måder at undersøge dataene på eller forudsige værdien ud fra resultater. Et hold på fire kernefysikere kom sammen for at arbejde på videnskaben bag Physical Review C-publikationen.

De begyndte med at adressere en af ​​de bekymringer, som eksperimentelle kernefysikere havde om elektronspredningsdata:hvordan mængden for protonradius blev opnået fra eksperimentelle data.

"Der har været en udfordring at udtrække protonens radius fra disse elektronspredningsdata, fordi de faktiske spredningseksperimenter kræver en vis endelig momentumoverførsel fra protonen, " Forklarede Weiss. "Det tal, du er interesseret i, er protonens reaktion ved nul momentumoverførsel, så det er noget, der ikke er direkte tilgængeligt."

I stedet, kernefysikere analyserer de data, de får fra eksperimenter ved de laveste momentumoverførsler og bruger derefter en procedure til at ekstrapolere ned til nul. Der er en løbende debat, imidlertid, om hvilke momentumoverførsler, der stadig er relevante, og hvordan ekstrapoleringen skal foretages.

To medlemmer af holdet er eksperimentalister:Douglas Higinbotham, en Jefferson Lab-medarbejder, og Zhihong Ye, seniorforsker ved Argonne National Lab. De løste den eksperimentelle side af udfordringen ved at overveje verdensdata før analyse over en bred vifte af momentumoverførsler.

I stedet for at ekstrapolere fra dataene for at få en værdi, de plottede i stedet dataene over hele spektret af målte momentumoverførsler, mens de tog højde for, at protonens ladningsradius kunne være en af ​​mange mulige værdier.

"Vi har lige rettet radiussen i vores anfald og gentaget analysen mange, mange gange, for enhver rimelig værdi af radius, " sagde Higinbotham. "Og gik så til teoretikere og bad dem om at generere de teoretiske kurver for disse radier, så vi kan sammenligne og se, om der er enighed."

De to andre medlemmer af holdet på fire personer er teoretikere:Weiss og José Manuel Alarcón, en forskningsprofessor ved Universidad Complutense de Madrid. De arbejdede sammen om at stramme op på de teoretiske metoder, der blev brugt til at analysere problemet.

"Vi brugte en særlig teoretisk metode kaldet effektiv feltteori til at lave en model af protonens struktur for, hvordan den reagerer på elektromagnetisk spredning ved lav momentumoverførsel, " Forklarede Weiss. "Teorien kondenserer den relevante struktur af protonen til nogle få tal. Og det giver dig mulighed for at forudsige protonens reaktion på elektronspredning ved endelige momentumoverførsler, og hvordan det er relateret til den ladningsradius, du vil udtrække."

Da eksperimentalisterne og teoretikerne så sammenlignede deres arbejde, de fandt ud af, at det konvergerede på en ny værdi for protonens radius, som vist i animationen.

"Det, der er absolut smukt og slående, er, når man ser på, om der er en radius, hvor den globale tilpasning og den teoretiske beregning stemmer overens, der er en. Det er .845 femtometer, " sagde Higinbotham. "Og det er mærkeligt nok i overensstemmelse med muonisk radius-resultatet og ikke med mange af de tidligere elektron-spredningsekstraktionsresultater."

Et vindue til ny fysik

Bestræbelserne på at løse denne uoverensstemmelse er ikke en let nysgerrighed - værdien for denne mængde har vidtrækkende virkninger. For eksempel, et mere præcist resultat kan afsløre ukendte områder inden for atom- og partikelfysik.

"Det kan være et vindue for ny fysik. Hvis vi ikke kan forene forskellige målinger for protonradius, måske er det fordi der er ny fysik, som vi ikke forstår, eller som vi ikke har i vores teori. Det er en af ​​grundene til, at denne protonradius er så vigtig, " forklarede Alarcón.

Når de bliver spurgt, om de mener, at dette er den endelige bestemmelse for denne mængde, alle fire forskere tøvede.

"Videnskab er en proces med successiv forfining af ideer og metoder, hvor vores nuværende forståelse kun er et stadie, hvorfra vi går videre til mere præcis teori og eksperimenter, " sagde Weiss.

For nu, de peger på flere nyere eksperimentelle undersøgelser, der bruger nyere teknologier til at måle værdien med endnu højere præcision, inklusive PRad-eksperimentet, der tog elektronspredningsdata i Jefferson Labs eksperimenthal B i 2016. Det er opkaldt efter sit mål:en stadig mere præcis måling af protonens radius.

"PRad-resultatet udkommer i år. Det bliver interessant at se, om det nye resultat kan bekræfte vores videnskabelige analyse, " sagde Ye.