Forskere måler præcis protonradius for at hjælpe med at løse årtier gamle puslespil

York University -forskere har foretaget en præcis måling af protonens størrelse - et afgørende skridt i retning af at løse et mysterium, der har optaget forskere rundt om i verden i det sidste årti.

Forskere troede, at de kendte protonens størrelse, men det ændrede sig i 2010, da et team af fysikere målte proton-radiusværdien til at være fire procent mindre end forventet, som forvirrede det videnskabelige samfund. Siden da, verdens fysikere har kæmpet for at løse proton-radius-puslespillet-inkonsekvensen mellem disse to proton-radius-værdier. Dette puslespil er et vigtigt uløst problem i grundlæggende fysik i dag.

Nu, en undersøgelse, der skal offentliggøres i tidsskriftet Videnskab finder en ny måling for protonens størrelse på 0,833 femtometre, som er lige under en billionionde af en millimeter. Denne måling er cirka fem procent mindre end den tidligere accepterede radiusværdi fra før 2010.

Studiet, ledet af forskere ved York University's Faculty of Science, præsenterer en ny elektronbaseret måling af, hvor langt protonens positive ladning strækker sig, og det bekræfter 2010 -fundet, at protonen er mindre end tidligere antaget.

"Det præcisionsniveau, der kræves for at bestemme protonstørrelsen, gjorde dette til den vanskeligste måling, vores laboratorium nogensinde har forsøgt, "sagde fremtrædende forskningsprofessor Eric Hessels, Institut for Fysik og Astronomi, der ledede undersøgelsen.

"Efter otte års arbejde med dette eksperiment, vi er glade for at registrere en så høj præcision måling, der hjælper med at løse det undvigende proton-radius puslespil, sagde Hessels.

Stræben efter at løse proton-radius-puslespillet har vidtrækkende konsekvenser for forståelsen af ​​fysikkens love, såsom teorien om kvanteelektrodynamik, som beskriver hvordan lys og stof interagerer.

Hessels, som er en internationalt anerkendt fysiker og ekspert i atomfysik, siger, at tre tidligere undersøgelser var afgørende for at forsøge at løse uoverensstemmelsen mellem elektronbaserede og muonbaserede bestemmelser af protonstørrelsen.

Undersøgelsen fra 2010 var den første til at bruge muonisk brint til at bestemme protonstørrelsen, sammenlignet med tidligere forsøg, der brugte almindeligt brint. På det tidspunkt, forskere studerede et eksotisk atom, hvor elektronen erstattes af en muon, elektronens tungere fætter. Mens en undersøgelse fra 2017 med brug af hydrogen var enig i 2010-muon-baseret bestemmelse af protonladningsradius, et eksperiment fra 2018, også ved hjælp af brint, understøttede værdien før 2010.

Hessels og hans team af forskere brugte otte år på at løse proton-radius-puslespillet og forstå, hvorfor protonradius fik en anden værdi, når den blev målt med muoner, frem for elektroner.

Teamet på York University studerede atombrint for at forstå den afvigende værdi opnået fra muonisk brint. De udførte en højpræcisionsmåling ved hjælp af frekvens-offset adskilte oscillerende felter (FOSOF) teknik, som de udviklede til denne måling. Denne teknik er en ændring af den adskilte oscillerende feltteknik, der har eksisteret i næsten 70 år og vandt Norman F. Ramsey en Nobelpris. Deres måling brugte en hurtig stråle af hydrogenatomer skabt ved at føre protoner gennem et molekylært hydrogengasmål. Metoden tillod dem at foretage en elektronbaseret måling af protonradius, der er direkte analog med den muonbaserede måling fra 2010-undersøgelsen. Deres resultat stemmer overens med den mindre værdi, der blev fundet i 2010 -undersøgelsen.