Løsning af protonradius -puslespillet

Hvordan måler du bredden af ​​en proton?

En lineal hjælper ikke, og heller ikke et mikroskop. I stedet, det indebærer at smadre elektroner i protoner ved næsten lysets hastighed, derefter måle, hvor langt elektronerne rejser, når de hopper af, eller spred, fra protonerne.

Denne metode kaldes elektronspredning, og en ny version blev brugt på Jefferson Laboratory for første gang, giver en af ​​de mest præcise målinger nogensinde for en protons ladningsradius.

Fysikere, der bruger deres liv på at udforske det subatomiske univers, siger, at disse resultater bringer videnskaben tættere på at løse "protonradius -puslespillet" - eller forklarer, hvorfor forskellige eksperimentelle metoder gennem årene er kommet frem til to forskellige målinger.

I lang tid, protonradius blev målt til 0,88 femtometer (fm). Så i 2010 kom en anden type eksperiment med 0,84 fm, eller cirka 4% mindre.

Hvorfor ville en 4% forskel på en uendelig skala have betydning?

For en, sagde Ashot Gasparian, en professor ved North Carolina A&T State University og eksperimentteamleder, protonen, der sidder i hjertet af atomet, ligger i skæringspunktet mellem tre store fysiske grene:atom, nukleare og partikler. Så selv en lille forskel er en stor ting - nogle fysikere spekulerede endda i, at resultaterne fra 2010 kan signalere en femte naturkraft.

Og, for en anden, mere præcise målinger af subatomære partikler hjælper med at finpudse standardmodellen for partikelfysik, en skabelon, der hjælper med at forklare, hvordan universet fungerer.

Så i 2012 arbejdede Gasparian og hans team med at finde på en ny type elektronspredningseksperiment - den første nye metode i et halvt århundrede - for at måle protonradius. Kaldte PRad -eksperimentet, den blev prioriteret højt hos Jefferson Lab og dens kraftfulde CEBAF -accelerator.

"Folk ledte efter svar, "Sagde Gasparian." Men for at lave endnu et eksperiment med elektron-protonspredning, mange skeptikere troede ikke på, at vi kunne gøre noget nyt. "

Stadig, holdet kom med tre værktøjer og metoder.

Den første var at implementere en ny type vinduesløst målsystem, der i det væsentlige tillod spredte elektroner at bevæge sig ret problemfrit ind i detektorerne.

Den anden brugte et kalorimeter frem for et traditionelt magnetisk spektrometer til at detektere og måle de spredte elektroners energier og positioner, mens en nybygget gaselektronmultiplikator også opdagede elektronernes positioner med en stadig større nøjagtighed.

Og den tredje var at placere disse detektorer ekstremt tæt i vinkelafstand fra, hvor elektronstrålen ramte brintmålet.

"Ved elektronspredning, for at udtrække radius, vi skal gå til en så lille spredningsvinkel som muligt, "sagde Dipangkar Dutta, teammedlem og professor ved Mississippi State University. "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."

Målingen, holdet kom med, var 0,831 fm, hovedsagelig bekræftelse af 2010 -målingen. Deres resultater ødelagde håbet hos fysikere, der havde drømt om en femte styrke.

"PRad -eksperimentet ser ud til at lukke døren for den mulighed, "sagde Dutta." Dette skal stadig bekræftes med lignende forsøg, men lige nu ser det sådan ud. "

Deres resultater blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Natur . Teamet arbejder allerede mod flere eksperimenter på Jefferson Lab for at reducere usikkerheden i protonradius endnu mere, Sagde Gasparian. I mellemtiden, et par andre atomfysiske faciliteter rundt om i verden gør det samme.

"Hvis præcisionen forbedres yderligere, sagde Gasparian, "Det viser måske, at der er en lille forskel, og det vil være meget vigtigt for at finde ud af ny fysik. Også, den samme teknik kan anvendes ikke kun til måling af protonstørrelsen, men også for andre former for målinger, hvor vi ville være i stand til at se ud over standardmodelfysik. "

Hvor kunne en sådan indsats føre en dag ud i den virkelige verden?

"Det er meget svært at forudsige, "sagde Dutta." Fordi hver gang du laver grundvidenskab, ved ingen, hvad den endelige anvendelse vil blive. "

Men der er betydelige præcedenser, han sagde. MR, eller magnetiske resonansbilledskannere, kom fra nogen, der prøvede at måle protonets spin i molekylstrukturen. Silicon transistorer, som revolutionerede elektronikken, sprang fra nogen, der piller med stykker silicium for at finde ud af, hvordan de opfører sig. Og protonterapier til behandling af kræft kom fra nogen, der forsøgte at måle, hvordan protonen aflejrer sin energi, når den passerer gennem materialer.

© 2019 Daily Press (Newport News, Va.)
Distribueret af Tribune Content Agency, LLC.