Протон легший, ніж очікувалося - маса на три стандартні відхилення нижче попередньої
Маса на три стандартні відхилення нижча, ніж за попередніми вимірами
Елементарні частинки на вагах: протон значно легший, ніж вважалося раніше. Це доводить найточніше на сьогоднішній день вимірювання маси протонів. Ця різниця проявляється лише до дев'ятого знака після коми, але вона все одно відповідає трьом стандартним відхиленням, як повідомляють дослідники. Зважаючи на принципове значення маси протонів для фізики, це є надзвичайно важливим.
Протон є одним з основних будівельних блоків речовини, разом з нейтроном він утворює атомні ядра всіх елементів. Властивості протона мають важливе значення для важливих основних принципів фізики. Його маса та радіус визначають, як електрони кружляють навколо ядра. Це складає основу для константи Ридберга, природної константи, яка, крім усього іншого, надає елементам характерні спектральні лінії. Різниця мас між протоном і нейтроном також відіграє вирішальну роль у стабільності атомного ядра.
Маса протону також важлива як еталонне значення при дослідженні антиречовини. Теоретично, розрив симетрії, який пояснює, чому матерія взяла верх у Всесвіті, може бути прихований у крихітних відмінностях маси між протоном та антипротоном. Тому важливо знати масу протона якомога точніше.
Протони в пастці частинок
Але, як це тепер видно, це важливе значення могло б бути завищене. У своєму експерименті фізики на чолі зі Свеном Штурмом з Інституту ядерної фізики Макса Планка в Гейдельберзі визначили масу протона більш точно, ніж будь-коли раніше. Це стало можливим за допомогою пастки Пеннінга - контейнера, в якому частинки утримуються у суспензії за допомогою електричного та магнітного полів.
Змінювані поля змушують частинки вібрувати вбік, коли вони рухаються по пастці по обертовому спіральному ходу. Найголовніше: швидкість обертання протона прямо пропорційна відношенню маси до заряду. Дослідники вдосконалили технологію вимірювання для їх вимірювання. Вони порівняли рух протонів з рухом іона ізотопу вуглецю 12C (12C 6+) і змогли особливо точно визначити масу протона.
"Спочатку ми зберігали один протон і один іон вуглецю (12C6 +) в окремих відділеннях нашого апарату-ловушки Пеннінга, а потім по черзі направляли один із двох іонів у центральний вимірювальний відсік і вимірювали їх рух у ньому", - пояснює Штурм.
Легше попереднього посилання
Результат: Маса протона, виміряна дослідниками, становить 1,007276466583 одиниць атомної маси (u). Це значно простіше, ніж значення 1,007276466879 u, яке раніше використовувалось як еталон - навіть якщо ця різниця стає очевидною лише з дев'ятого знака після коми. Як пояснюють вчені, різниця відповідає трьом стандартним відхиленням.
Це означає, що протон трохи легший, ніж вважалося раніше. Як пояснюють дослідники, це також зміщує співвідношення мас протона до електрона та співвідношення протона до нейтрона, що важливо для поведінки атома, але лише на одне стандартне відхилення в останньому.
Втричі точніше попередніх вимірювань
Для того, щоб бути абсолютно впевненим, що несистематичні похибки вимірювань призвели до нижчого значення, вчені кілька разів перевіряли їх значення, порівнюючи їх з іншими іонами. Але щоразу вони приходили до однакової нижчої маси протонів. "Ми не змогли виявити жодних систематичних ефектів, зумовлених нашим методом", - сказав Штурм та його колеги.
Крім того, нове вимірюване значення досягає 32 трильйонів - і, отже, утричі точніше, ніж усі попередні вимірювання, як повідомляють фізики. Тому ви відносно впевнені, що його значення ближче до фактичної маси протона, ніж еталон. (Physical Review Letters, 2017; doi: 10.1103/PhysRevLett.119.033001)
(Інститут ядерної фізики Макса Планка, 21 липня 2017 р. - НКО)