Physik doch nicht “kaputt”? Wir sind nah dran Lösen des Protonenradiusrätsels

Aufnahme der Elektronenorbitale eines Wasserstoffatoms mit einem Quantenmikroskop im Jahr 2013. Seit fast einem Jahrzehnt versuchen Physiker, widersprüchliche experimentelle Ergebnisse mit Wasserstoffatomen auf dem Radius des Protons aufzulösen.Vergrößerung / Aufnahme der Elektronenorbitale eines Wasserstoffatoms mit a Quantenmikroskop im Jahr 2013. Physiker haben versucht, zu lösen widersprüchliche experimentelle Ergebnisse unter Verwendung von Wasserstoffatomen auf der Protons Radius seit fast einem Jahrzehnt. APS / Alan Stonebraker

Die Physiker der York Universität in Toronto haben die letzten ausgegeben acht Jahre akribisch ein sensibles Experiment durchführen zu Messen Sie den Ladungsradius des Protons in der Hoffnung auf Auflösung widersprüchliche Werte, die durch mehrere ähnliche Experimente erhalten wurden im letzten Jahrzehnt durchgeführt. Dieses Rätsel wurde auch als. Bezeichnet “Protonenradius-Rätsel.” Die neuen Ergebnisse, veröffentlicht in einem neuen Papier in der Wissenschaft, bestätigen Sie eine 2010 Feststellung, dass das Proton ist deutlich kleiner als bisher angenommen.

Die meisten Popularisierungen, die die Struktur des Atoms diskutieren, stützen sich darauf auf dem viel bösartigen Bohr-Modell, in dem sich Elektronen um das bewegen Kern in Kreisbahnen. Es ist in Ordnung als Tor zur Physik, sozusagen, aber die Quantenmechanik gibt uns eine viel genauere (wenn auch seltsamer) Beschreibung. Die Elektronen umkreisen nicht wirklich der Kern; es sind technisch gesehen wellen, die partikelartig werden Eigenschaften, wenn wir ein Experiment durchführen, um ihre Position zu bestimmen. Während sie ein Atom umkreisen, existieren sie in einer Überlagerung von Zuständen, sowohl Teilchen als auch Welle, mit einer Wellenfunktion, die alle Wahrscheinlichkeiten seiner Position auf einmal. Eine Messung wird zusammenbrechen die Wellenfunktion, die uns die Position des Elektrons gibt. Mach eine Serie von solchen Messungen und zeichnen Sie die verschiedenen Positionen, die sich ergeben, und es wird etwas ergeben, das einem unscharfen orbitartigen Muster ähnelt.

Die Quantenverrücktheit erstreckt sich auch auf das Proton. Technisch ist es hergestellt aus drei geladenen Quarks, die durch das starke Atom zusammengehalten werden Macht. Aber es ist verschwommen wie eine Wolke. Und wie können wir über das reden? Radius einer Wolke? Physiker verlassen sich dabei auf die Ladungsdichte, Ähnlich der Dichte von Wassermolekülen in einer Wolke. Der Radius von Das Proton ist die Entfernung, in der die Ladungsdichte abnimmt eine bestimmte Energieschwelle. Und das kann man messen Radius durch Untersuchung der Wechselwirkung des Elektrons mit dem Proton über Entweder mit Elektronenstreuungsexperimenten oder mit Elektronen oder Myonen Spektroskopie, um den Unterschied zwischen Atomenergie zu betrachten Ebenen. (Nach dem Nobelpreisträger Wallis wird es “Lamb Shift” genannt Lamb, der 1947 erstmals die Verschiebung gemessen hat.) Die kombinierte Unschärfe des Elektrons und des Protons bedeutet, dass das Elektron überall sein kann innerhalb dieser Region – einschließlich innerhalb des Protons.

Wasserstoffatome sind die einfachsten Kerne mit einem einzelnen Proton Umkreist von einem Elektron, das ist typisch für Physiker wurden für ihre Experimente verwendet, um den Ladungsradius des Protons zu messen. Lange Zeit war der akzeptierte Wert 0,876 Femtometer – eine “Welt” Durchschnitt “vieler verschiedener Messungen mit ausreichenden Fehlerbalken um zukünftige Messungen zu ermöglichen.

Group leader Eric Hessels in his York University lab.Vergrößern / Gruppenleiter Eric Hessels in seinem Labor an der York University University

Es sind die Myonenspektroskopiemessungen, die zuerst die Problem im Jahr 2010. Für ihr Experiment, Physiker an der Max Das Planck-Institut für Quantenoptik verwendete als Ersatz myonischen Wasserstoff Das Elektron umkreist den Kern mit einem Myon, dem Elektron schwerere (und sehr kurzlebige) Geschwister. Da ist es fast 200 mal schwerer als das Elektron, hat es eine viel kleinere Umlaufbahn und damit eine viel höhere Wahrscheinlichkeit (10 Millionen Mal), sich in der Proton. Und das macht es zehn Millionen Mal so empfindlich wie ein Messtechnik, wegen der näheren Nähe zum Proton.

Randolf Pohl, einer der Physiker, die das Original aufführten Experiment 2010, erläuterte das zugrunde liegende Konzept auf einer Sitzung 2013 der American Physical Society. “Angenommen, das Proton ist eine Kugel aus Ladung, wobei das Elektron durch das Proton tanzt “, sagte er. “Wenn es sich in der Mitte des Protons befindet, wird es gleichermaßen angezogen von allen seiten, mit den ladungen ringsum, so gibt es kein netz Anziehungskraft zwischen Proton und Myon. Dies verschiebt die gesamte Energie Staat auf. Das ist der Effekt, den wir mit Laser betrachten Spektroskopie, wenn wir den Unterschied zwischen zwei Energien messen Ebenen: wenn sich das Elektron innerhalb und außerhalb des Protons befindet. ”

Die Physiker erwarteten für etwa den gleichen Radius zu messen das Proton als vorherige Experimente, nur mit weniger Unsicherheit. Dort sollte kein Unterschied sein (außer Masse und Lebensdauer) zwischen dem Elektron und das Myon, theoretisch. Stattdessen maßen sie a signifikant kleinerer Protonenradius von 0,841 Femtometern, 0.00000000000003 Millimeter kleiner, weit außerhalb der etablierten Fehlerbalken. Es waren fünf Standardabweichungen von der Wert erhalten durch andere Methoden.

“Es ist sicherlich ein starkes Argument für die kleinere Größe ist die richtige Größe. ”

Pohl et al. verbrachte Jahre damit, ihre Daten zu überprüfen und erneut zu überprüfen ob es ein experimenteller Fehler war – oder ob die zugrunde liegende Theorie von Quantenelektrodynamik (QED), die beschreibt, wie Licht interagiert mit Materie) wurde irgendwie falsch angewendet – es ist eine signifikante. Die Theoretiker überlegten, ob QED möglicherweise optimiert werden müsste, um zu übernehmen unter Berücksichtigung möglicher geringfügiger Unterschiede in den Eigenschaften des Myons. Die aufregendste Möglichkeit: Dies könnte ein Hinweis auf eine neue Physik sein jenseits des Standardmodells. Dies war immer am unwahrscheinlichsten Erklärung, und im Laufe des folgenden Jahrzehnts ist es noch weniger geworden wahrscheinlich.

Nachfolgende Messungen durch verschiedene Gruppen waren nicht schlüssig ob der größere oder kleinere Wert korrekt ist. Zum Beispiel, Im Jahr 2013 führte das gleiche internationale Team Myonen-basierte durch Experimente, die ihren Wert für 2010 bestätigen und a Messung von 0,84 Femtometern für den Radius des Protons mit a Diskrepanz von 7 Sigma. Eine weitere experimentelle Variante im Jahr 2016 beinhaltete das Ersetzen des Elektrons durch ein Myon in einem Deuteriumatom – a schwereres Isotop von Wasserstoff, mit einem Neutron sowie einem Proton und Elektron. Die Idee war, dass sich die Anwesenheit eines Neutrons ändern würde wie Elektronen und Myonen die Ladung des Protons wahrnehmen. Das auch, entsprach dem Ergebnis von 2010.

Es wurden jedoch zwei Versuche mit regulärem Wasserstoff zur Messung der Protonenradius ergab gemischte Ergebnisse: eine Studie von Theodor aus dem Jahr 2017 Die Hänsch-Gruppe (einschließlich Pohl) bestätigte auch das Ergebnis 2010. während eine 2018 Messung mit dem größeren Wert vor im Einklang stand das Experiment 2010. So haben die Wissenschaftler der York University kürzlich entschied sich für eine elektronenbasierte Messung des Protonenradius, analog zur ursprünglichen Messung auf Myonenbasis von 2010, in der Hoffnung auf Annäherung der verschiedenen widersprüchlichen Ergebnisse an einen Konsens.

The York University team's measurement apparatus.Vergrößern / Das Messgerät des Teams der York University.N. Bezginov et al./Science

Während der Myonmessungen wurden große Teilchenbeschleuniger benötigt Zur Herstellung der Myonen war das Team der York University in der Lage, Leistungen zu erbringen ein Tischversuch – wenn auch mit einer ziemlich großen Tischplatte Messung von etwa vier Metern. Und sie machten absichtlich eine Blindmessung zur Absicherung gegen jegliche Verzerrung und schließlich zur Aufdeckung der Wert, den sie wenige Wochen zuvor über acht Jahre gemessen hatten Einreichen ihrer Arbeit zur Veröffentlichung. “Die Schwierigkeit macht Wir sind sicher, dass wir nicht von irgendetwas beeinflusst werden, das oder komplizieren könnte Energiezustände in unserer Messung verschieben “, sagte Gruppenleiter Eric Hessels. “Viele der acht Jahre wurden mit großer Sorgfalt verbracht alle Aspekte der Messung zu verstehen, damit wir können Möglichkeiten, Fehler gemacht zu haben, sorgfältig ausschließen. ”

Das Ergebnis: Ihre Messung von 0,833 Femtometern (knapp ein Billionstel Meter) stimmt mit dem kleineren Wert aus dem überein 2010 Studie. Das sind gute Nachrichten für das Standardmodell und schlechte Nachrichten für diejenigen, die auf eine aufregende neue Physik hoffen. “Weil es a ist Direkter Vergleich, es macht sicherlich ein ziemlich starkes Argument für die kleinere Größe ist die richtige Größe “, sagte Hessels Experimente von anderen Gruppen sind derzeit im Gange, und er erwartet Die Community wird sich auf einen Konsens einigen, wenn diese Ergebnisse rieseln in den nächsten paar Jahren.

“Grundsätzlich wollen wir wirklich verstehen, was alle Gesetze sind der Physik sind, und wenn es eine Diskrepanz gibt, die niemand kann erklären, es besteht die Möglichkeit, dass die Gesetze der Physik nicht sind verstanden “, sagte Hessels über die Motivation, dies zu tun Experimente. “Wenn wir uns auf eine kleinere Größe für das Proton einigen, das wird ein weiterer Baustein dessen, was wir verstehen, und ermöglicht uns das Wasserstoffatom zu benutzen, um andere Dinge zu testen: um das zu testen Theorie der Quantenelektrodynamik mit höherer Präzision oder zu testen ob es etwas anderes gibt als das Standardmodell von Physik.”

DOI: Science, 2019. 10.1126 / science.aau7807 (About DOIs).

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