Protonul este mai ușor decât se aștepta - masa este cu trei abateri standard mai mici decât precedentele
Masa este cu trei abateri standard mai mici decât în conformitate cu măsurătorile anterioare
Particule elementare de pe solzi: protonul este semnificativ mai ușor decât se credea anterior. Acest lucru este dovedit de cea mai precisă măsurare a masei de protoni până în prezent. Această diferență nu se manifestă până la locul nouă după punctul zecimal, dar totuși corespunde cu trei abateri standard, după cum raportează cercetătorii. Având în vedere importanța fundamentală a masei protonice pentru fizică, acest lucru este absolut crucial.
Protonul este unul dintre elementele de bază ale materiei, împreună cu neutronul formează nucleele atomice ale tuturor elementelor. Proprietățile protonului sunt în mod corespunzător importante pentru principiile de bază importante ale fizicii. Masa și raza acestuia determină modul în care electronii circulă în jurul nucleului. Aceasta constituie baza constantei Rydberg, o constantă naturală care, printre altele, conferă elementelor liniile lor spectrale caracteristice. Diferența de masă dintre protoni și neutroni joacă, de asemenea, un rol decisiv în stabilitatea nucleului atomic.
Masa protonică este, de asemenea, importantă ca valoare comparativă atunci când se cercetează antimateria. În teorie, ruptura în simetrie care explică de ce materia a câștigat stăpânirea în univers ar putea fi ascunsă în mici diferențe de masă între protoni și antiprotoni. Prin urmare, este important să cunoaștem masa protonului cât mai precis posibil.
Protonii din capcana particulelor
Dar, după cum arată acum, această valoare importantă ar fi putut fi supraestimată. În experimentul lor, fizicienii conduși de Sven Sturm de la Institutul Max Planck pentru Fizică Nucleară din Heidelberg au determinat masa protonului mai precis ca niciodată. Acest lucru a fost posibil cu ajutorul unei capcane Penning - un recipient în care particulele sunt ținute în suspensie prin intermediul câmpurilor electrice și magnetice.
Câmpurile în schimbare fac ca particulele să vibreze lateral pe măsură ce se deplasează prin capcană într-un curs spiralat rotativ. Punctul culminant: rata la care se rotește protonul este direct proporțională cu raportul masă-încărcare. Cercetătorii au rafinat tehnologia de măsurare pentru măsurarea lor. Au comparat mișcarea protonilor cu cea a unui ion al izotopului de carbon 12C (12C 6+) și au putut determina masa protonului în mod precis.
„Mai întâi am stocat câte un proton și un ion de carbon (12C6 +) fiecare în compartimente separate ale aparatului nostru de capcană Penning, apoi am canalizat alternativ unul dintre cei doi ioni în compartimentul central de măsurare și am măsurat mișcarea lor în el”, explică Sturm.
Mai ușor decât referința anterioară
Rezultatul: Masa protonului măsurată de cercetători este de 1,007276466583 unități de masă atomică (u). Acest lucru este semnificativ mai ușor decât valoarea 1.007276466879 u care a fost folosită anterior ca referință - chiar dacă această diferență se manifestă doar de la locul nouă după punctul zecimal. Diferența corespunde a trei abateri standard, după cum explică oamenii de știință.
Aceasta înseamnă că protonul este puțin mai ușor decât se credea anterior. După cum explică cercetătorii, acest lucru schimbă, de asemenea, raportul de masă proton-electron, care este important pentru comportamentul atomic, și cel al proton-neutron - dar în acesta din urmă doar cu o abatere standard.
De trei ori mai precis decât măsurătorile anterioare
Pentru a fi absolut siguri că erorile de măsurare nesistematice au dus la valoarea inferioară, oamenii de știință și-au verificat valorile de mai multe ori comparându-le cu alți ioni. Dar de fiecare dată ajungeau la aceeași masă de protoni inferioară. „Nu am putut descoperi niciun efect sistematic care se datorează metodei noastre”, au spus Sturm și colegii săi.
În plus, noua valoare măsurată este exactă la 32 trilioane de luni - și, astfel, de trei ori mai precisă decât toate măsurătorile anterioare, după cum raportează fizicienii. Prin urmare, sunteți relativ încrezător că valoarea sa este mai aproape de masa efectivă a protonului decât de referință. (Physical Review Letters, 2017; doi: 10.1103/PhysRevLett.119.033001)
(Institutul Max Planck pentru Fizică Nucleară, 21 iulie 2017 - NPO)