Størrelsen af ​​heliumkernen målt mere præcist end nogensinde før

I forsøg på Paul Scherrer Institute PSI, et internationalt forskningssamarbejde har målt radius af atomkernen i helium fem gange mere præcist end nogensinde før. Ved hjælp af den nye værdi, grundlæggende fysiske teorier kan testes, og naturlige konstanter kan bestemmes endnu mere præcist. Til deres målinger, forskerne havde brug for muoner - disse partikler ligner elektroner, men er omkring 200 gange tungere. PSI er det eneste forskningssted i verden, hvor der produceres tilstrækkeligt med såkaldte lavenergimuoner til sådanne forsøg. Forskerne offentliggør deres resultater i dag i tidsskriftet Natur .

Efter brint, helium er det næststørste element i universet. Omkring en fjerdedel af atomkernerne, der dannedes i de første par minutter efter Big Bang, var heliumkerner. Disse består af fire byggesten:to protoner og to neutroner. For grundlæggende fysik, det er afgørende at kende egenskaberne ved heliumkernen, blandt andet for at forstå processerne i andre atomkerner, der er tungere end helium. "Heliumkernen er en meget grundlæggende kerne, som kan beskrives som magisk, "siger Aldo Antognini, fysiker ved PSI og ETH Zürich. Hans kollega og medforfatter Randolf Pohl fra Johannes Gutenberg University Mainz i Tyskland tilføjer:"Vores tidligere viden om heliumkernen kommer fra eksperimenter med elektroner. På PSI, imidlertid, vi har for første gang udviklet en ny målemetode, der tillader meget bedre nøjagtighed. "

Med dette, det lykkedes det internationale forskningssamarbejde at bestemme størrelsen af ​​heliumkernen omkring fem gange mere præcist, end det var muligt i tidligere målinger. Gruppen offentliggør sine resultater i dag i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Natur . Ifølge deres resultater, den såkaldte middelladningsradius for heliumkernen er 1,67824 femtometer.

"Ideen bag vores eksperimenter er enkel, "forklarer Antognini. Normalt kredser to negativt ladede elektroner om den positivt ladede heliumkerne." Vi arbejder ikke med normale atomer, men med eksotiske atomer, hvor begge elektroner er blevet erstattet af en enkelt muon, "siger fysikeren. Muonen anses for at være elektronens tungere bror; den ligner den, men den er omkring 200 gange tungere. En muon er meget stærkere bundet til atomkernen end en elektron og omkranser den i meget smallere kredsløb. Sammenlignet med elektroner, en muon er meget mere tilbøjelig til at blive i selve kernen. "Så med muonisk helium, vi kan drage konklusioner om atomkernens struktur og måle dens egenskaber, ”Forklarer Antognini.

Langsomme muoner, kompliceret lasersystem

Muonerne produceres ved PSI ved hjælp af en partikelaccelerator. Facilitetens specialitet:generering af muoner med lav energi. Disse partikler er langsomme og kan stoppes i apparatet til forsøg. Dette er den eneste måde, forskere kan danne de eksotiske atomer på, hvor en muon kaster en elektron ud af sin bane og erstatter den. Hurtige muoner, i modsætning, ville flyve lige igennem apparatet. PSI-systemet leverer flere lavenergimuoner end alle andre sammenlignelige systemer verden over. "Derfor kan eksperimentet med muonisk helium kun udføres her, "siger Franz Kottmann, som i 40 år har presset på med de nødvendige forundersøgelser og tekniske udviklinger til dette eksperiment.

Muonerne ramte et lille kammer fyldt med heliumgas. Hvis betingelserne er rigtige, muonisk helium dannes, hvor muonen er i en energitilstand, hvor den ofte opholder sig i atomkernen. "Nu spiller den anden vigtige komponent for eksperimentet i spil:lasersystemet, "Pohl forklarer. Det komplicerede system skyder en laserpuls mod heliumgassen. Hvis laserlyset har den rigtige frekvens, det ophidser muonen og fører det videre til en højere energitilstand, hvor dens vej praktisk talt altid er uden for kernen. Når det falder fra dette til grundtilstanden, det udsender røntgenstråler. Detektorer registrerer disse røntgensignaler.

I forsøget, laserfrekvensen varieres, indtil der kommer et stort antal røntgensignaler. Fysikere taler derefter om den såkaldte resonansfrekvens. Med dens hjælp, derefter, forskellen mellem de to energiske tilstande af muonen i atomet kan bestemmes. Ifølge teorien, den målte energiforskel afhænger af, hvor stor atomkernen er. Derfor, ved hjælp af den teoretiske ligning, radius kan bestemmes ud fra den målte resonans. Denne dataanalyse blev udført i Randolf Pohls gruppe i Mainz.

Protonradius -mysteriet falmer væk

Forskerne på PSI havde allerede målt protonens radius på samme måde i 2010. På det tidspunkt, deres værdi matchede ikke den, der blev opnået ved andre målemetoder. Der blev talt om et protonradius -puslespil, og nogle spekulerede i, at en ny fysik kunne ligge bagved den i form af en tidligere ukendt interaktion mellem muonen og protonen. Denne gang er der ingen modsætning mellem det nye, mere præcis værdi og målingerne med andre metoder. "Dette gør forklaringen på resultaterne med fysik ud over standardmodellen mere usandsynlig, "siger Kottmann. Desuden er i de senere år har værdien af ​​protonradius bestemt ved hjælp af andre metoder nærmet sig det præcise tal fra PSI. "Protonradius -puslespillet eksisterer stadig, men det forsvinder langsomt, «siger Kottmann.

"Vores måling kan bruges på forskellige måder, "siger Julian Krauth, første forfatter til undersøgelsen:"Radius af heliumkernen er en vigtig berøringssten for kernefysik." Atomkerner holdes sammen af ​​den såkaldte stærke interaktion, en af ​​de fire grundlæggende kræfter i fysikken. Med teorien om stærk interaktion, kendt som kvantekromodynamik, fysikere vil gerne kunne forudsige radius af heliumkernen og andre lette atomkerner med et par protoner og neutroner. Den ekstremt præcist målte værdi for radium af heliumkernen sætter disse forudsigelser på prøve. Dette gør det også muligt at teste nye teoretiske modeller af den nukleare struktur og at forstå atomkerner endnu bedre.

Målingerne på muonisk helium kan også sammenlignes med forsøg med normale heliumatomer og ioner. I forsøg med disse, også, energiovergange kan udløses og måles med lasersystemer - her, selvom, med elektroner i stedet for muoner. Målinger på elektronisk helium er i gang lige nu. Ved at sammenligne resultaterne af de to målinger, det er muligt at drage konklusioner om grundlæggende naturlige konstanter som Rydberg -konstanten, som spiller en vigtig rolle i kvantemekanikken.

Et samarbejde med en lang tradition

Mens målingen af ​​protonradius kun var vellykket efter langvarige forsøg, heliumkerne -eksperimentet virkede med det samme. "Vi var heldige, at alt gik glat, "siger Antognini, "fordi vi med vores lasersystem er ved grænsen for teknologien, og noget kunne let gå i stykker. "

”Det bliver endnu vanskeligere med vores nye projekt, "tilføjer Karsten Schuhmann fra ETH Zürich." Her adresserer vi nu protonens magnetiske radius. Og for dette, laserpulserne skal være 10 gange mere energiske. "