Må styrken være med os? Præcise målinger tester kvanteelektrodynamik, begrænser mulig femte fundamental

Forskere fra ALPHA Collaboration målte en grundlæggende egenskab ved protonen med ekstrem høj præcision. Dette gør det muligt at teste gyldigheden af ​​kvanteelektrodynamik - hjørnestenen i vores forståelse af den elektromagnetiske interaktion - med hidtil uset nøjagtighed. Forskningen blev offentliggjort i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature.

Præcis måling giver ny indsigt i protonens fysik

ALPHA Collaboration-forskere ved CERN måler protonens elektriske og magnetiske struktur.

Protonen, en af ​​stoffets grundlæggende byggesten, består af endnu mere fundamentale partikler kaldet kvarker og gluoner. Protonens struktur og dynamik er kompleks og stadig ikke helt forstået. Et præcist kendskab til disse egenskaber er dog uundværligt for at forstå en række forskellige processer, såsom nuklear fusion, som er en lovende kandidat til at sikre vores energiforsyning i fremtiden, eller neutronstjernernes egenskaber.

Protonens elektriske og magnetiske egenskaber er blandt dens mest grundlæggende egenskaber. Den elektriske ladning og det magnetiske moment, der beskriver protonens styrke som en magnet, kan måles præcist i dedikerede eksperimenter. Afvigelser fra de præcist forudsagte værdier for protonens størrelse og magnetiske styrke som givet af den grundlæggende standardmodel for partikelfysik ville være et tegn på ny fysik ud over standardmodellen. Disse hidtil uopdagede fænomener forventes at forekomme på de ekstremt høje energi- og længdeskalaer, der karakteriserede det tidlige univers, mikrosekunder efter Big Bang. De udgør vigtige målmængder for forskningsprogrammet for højenergifysikafdelingen på DESY, da de har nøglen til at forstå, hvordan vores univers blev dannet.

Et team af forskere ledet af medlemmer fra Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) og University of Mainz, begge beliggende i Tyskland, brugte i samarbejde med kolleger fra andre institutter de unikke egenskaber ved antibrintatomer til at måle protonens magnetisk moment med hidtil uset nøjagtighed. Antihydrogen består af en antiproton og en antielektron (kaldet en positron). Begge modstykker har samme masse, men modsat elektrisk ladning til deres almindelige modstykker. Som en konsekvens heraf gør målinger udført med antibrint mulighed for at isolere og præcist bestemme protonegenskaber, som er svære eller umulige at måle direkte i brint.

Forskerne skabte antibrint i ALPHA-2-apparatet ved CERNs Antiproton Decelerator. Protonens magnetiske moment blev målt ved at lede antiprotoner gennem et magnetfelt og observere, hvordan deres spins vender, når magnetfeltet vendes. Eksperimentet var udfordrende, da der krævedes mere end 10 millioner antiprotoner kun til en enkelt måling, et enormt antal i betragtning af, at produktionen af ​​en enkelt antiproton typisk involverer sofistikerede flertrinsprocesser, der varer flere dage. For at overvinde denne forhindring brugte forskerne en genial "antihydrogen-aftapningsteknik". De opbevarede antiprotoner i et miljø med ultrahøjt vakuum i flere uger, hvilket gjorde det muligt at bruge de akkumulerede antiprotoner til flere målinger på trods af de ekstremt lave produktionshastigheder.

Kombinationen af ​​det nye ALPHA-2-resultat og tidligere målinger udført på Paul Scherrer Institute (Villigen, Schweiz) giver den mest præcise værdi for protonens magnetiske moment til dato og giver en stringent test af kvanteelektrodynamik. Resultatet repræsenterer et væsentligt fremskridt på vejen til det ultimative mål for ALPHA-samarbejdet:en præcis sammenligning mellem egenskaberne af brint og antibrint, som vil søge efter antydninger af nye fundamentale interaktioner og symmetrier.