Ny måling giver mindre protonradius

Ved hjælp af den første nye metode i et halvt århundrede til måling af protonens størrelse via elektronspredning, PRad-samarbejdet har produceret en ny værdi for protonens radius i et eksperiment udført på Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility.

Resultatet, for nylig offentliggjort i tidsskriftet Natur , er en af ​​de mest præcise målt fra elektronspredningsforsøg. Den nye værdi for protonradius, der blev opnået, er 0,831 fm, som er mindre end den tidligere elektronspredningsværdi på 0,88 fm og er i overensstemmelse med de seneste muoniske atomspektroskopiske resultater.

"Vi er glade for, at mange års hårdt arbejde i vores samarbejde er ved at være slut med et godt resultat, der kritisk vil hjælpe med at løse det såkaldte protonradius-puslespil, " siger Ashot Gasparian, en professor ved North Carolina A&T State University og eksperimentets talsmand.

Alt synligt stof i universet er bygget på en sky af tre kvarker bundet sammen med stærk kraftenergi. Den allestedsnærværende proton, som sidder i hjertet af hvert atom, har været genstand for adskillige undersøgelser og eksperimenter med det formål at afsløre dens hemmeligheder. Endnu, et uventet resultat fra et eksperiment for at måle størrelsen af ​​denne sky, i forhold til dens rod-middel-kvadrat-ladningsradius, har forenet atom- og kernefysikere i en byge af aktivitet for at genoverveje denne grundlæggende mængde af protonen.

Før 2010 de mest præcise målinger af protonens radius kom fra to forskellige eksperimentelle metoder. I elektronspredningsforsøg, elektroner skydes mod protonerne, og protonens ladningsradius bestemmes af ændringen i elektronernes vej, efter at de hopper af, eller spredes fra, protonen. I atomspektroskopi målinger, elektronernes overgange mellem energiniveauer observeres (i form af fotoner, der afgives af elektronerne), når de kredser om en lille kerne. Kerner, der typisk er blevet observeret, omfatter brint (med en proton) eller deuterium (med en proton og en neutron). Disse to forskellige metoder gav en radius på omkring 0,88 femtometer.

I 2010 atomfysikere annoncerede resultater fra en ny metode. De målte overgangen mellem energiniveauer af elektroner i kredsløb omkring laboratoriefremstillede brintatomer, der erstattede en kredsende elektron med en myon, som kredser meget tættere på protonen og er mere følsom over for protonens ladningsradius. Dette resultat gav en værdi, der var 4 % mindre end før, 0,84 femtometer.

I 2012, et samarbejde mellem forskere under ledelse af Gasparian kom sammen på Jefferson Lab for at forny elektronspredningsmetoder i håb om at producere en ny og mere præcis måling af protonens ladningsradius. PRad-eksperimentet fik prioriteret planlægning som et af de første eksperimenter til at tage data og fuldføre dets kørsel efter en opgradering af Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE-brugerfacilitet til kernefysisk forskning. Eksperimentet tog elektronspredningsdata i Jefferson Labs eksperimenthal B i 2016.

"Da vi startede dette eksperiment, folk søgte efter svar. Men for at lave endnu et elektron-protonspredningseksperiment, mange skeptikere troede ikke på, at vi kunne gøre noget nyt, " siger Gasparian. "Hvis du vil finde på noget nyt, du skal komme med nogle nye værktøjer, en ny metode. Og det gjorde vi - vi lavede et eksperiment, som er helt anderledes end andre elektronspredningsforsøg."

Samarbejdet indførte tre nye teknikker til at forbedre præcisionen af ​​den nye måling. Den første var implementering af en ny type vinduesløst målsystem, som blev finansieret af et National Science Foundation Major Research Instrumentation -tilskud og stort set blev udviklet, fremstillet og drevet af Jefferson Labs målgruppe.

Det vinduesløse mål strømmede nedkølet brintgas direkte ind i strømmen af ​​CEBAF's 1,1 og 2,2 GeV accelererede elektroner og tillod spredte elektroner at bevæge sig næsten uhindret ind i detektorerne.

"Når vi siger uden vinduer, vi siger, at røret er åbent for acceleratorens vakuum. Som virker som et vindue - men i elektronspredning, et vindue er et metaldæksel på enden af ​​røret, og de er blevet fjernet, " siger Dipangkar Dutta, en eksperiment-medtalsmand og en professor ved Mississippi State University.

"Så det er første gang, at folk rent faktisk sætter et gasstrømsmål på strålelinjen på Jefferson Lab, "siger Haiyan Gao, en eksperiment-medtalsmand og Henry Newson-professor ved Duke University. "Støvsuget var godt, så vi kunne få en elektronstråle gennem vores mål for at udføre eksperimentet, og vi har faktisk et hul i indgangsfolien og et andet i udgangsfolien. I det væsentlige, strålen gik lige igennem direkte til brintgassen, ser ikke noget vindue."

Den næste store forskel var brugen af ​​et kalorimeter i stedet for det traditionelt anvendte magnetiske spektrometer til at detektere spredte elektroner som følge af, at de indkommende elektroner rammer brintets protoner eller elektroner. Det genbrugte hybridkalorimeter HyCal målte energierne og positionerne af de spredte elektroner, mens en nybygget gaselektronmultiplikator, GEM-detektoren, opdagede også elektronernes positioner med endnu højere nøjagtighed.

Dataene fra begge detektorer blev derefter sammenlignet i realtid, hvilket gjorde det muligt for kernefysikerne at klassificere hver begivenhed som en elektron-elektron-spredning eller en elektron-proton-spredning. Denne nye metode til at klassificere begivenhederne gjorde det muligt for kernefysikerne at normalisere deres elektron-protonspredningsdata til elektron-elektronspredningsdata, i høj grad reducere eksperimentelle usikkerheder og øge præcisionen.

Den sidste store forbedring var placeringen af ​​disse detektorer ekstremt tæt i vinkelafstand fra det sted, hvor elektronstrålen ramte brintmålet. Samarbejdet var i stand til at få den afstand ned til mindre end én grad.

"I elektronspredning, for at udtrække radius, vi skal gå til så lille en spredningsvinkel som muligt, " siger Dutta. "For at få protonradius, du skal ekstrapolere til nulvinkel, som du ikke kan få adgang til i et eksperiment. Så, jo tættere på nul du kan komme, des bedre."

"Den region, vi udforskede, er i en sådan fremadgående vinkel og med så lille fire-momentums overføring i kvadrat, at den aldrig er blevet nået før i elektron-protonspredning, " tilføjer Mahbub Khandaker, en eksperter medordfører og en professor ved Idaho State University.

Samarbejdspartnerne siger, at resultatet er unikt, fordi den brugte en ny teknik via elektronspredning til at bestemme protonladningsradius. Nu, de ser frem til at sammenligne resultatet med nye spektroskopiske bestemmelser af protonradius og kommende elektron- og myonspredningsmålinger, der udføres verden over.

Yderligere, dette resultat kaster også nyt lys over formodninger om en ny naturkraft, der blev foreslået, da protonradiuspuslespillet først dukkede op.

"Da det første protonradius -puslespil udkom i 2010, der var håb i samfundet om, at vi måske har fundet en femte naturkraft, at denne kraft virker forskelligt mellem elektroner og myoner, " siger Dutta. "Men PRad-eksperimentet ser ud til at lukke døren for den mulighed."

De siger, at det næste skridt er at overveje at udføre yderligere undersøgelser ved hjælp af denne nye eksperimentelle metode for at opnå endnu højere præcisionsmålinger om dette og relaterede emner, såsom radius af deuteron, kernen af ​​deuterium.

"Der er en meget god chance for, at vi kan forbedre vores målinger med en faktor to eller måske endda mere, " siger Gao.