A proton könnyebb a vártnál - a tömeg három szórással alacsonyabb, mint az előző
A tömeg három szórással alacsonyabb, mint a korábbi mérések szerint
Elemi részecskék a mérlegen: a proton lényegesen könnyebb, mint azt korábban gondolták. Ezt bizonyítja a protonok eddigi legpontosabb mérése. Ez a különbség csak a kilencedik tizedesjegyig jelenik meg, de mégis megfelel három szórásnak, ahogy a kutatók beszámolnak róla. Tekintettel a protontömeg alapvető fontosságára a fizika szempontjából, ez feltétlenül fontos.
A proton az anyag egyik alapvető építőköve, a neutronnal együtt minden elem atommagját alkotja. A proton tulajdonságai ennek megfelelően fontosak a fizika fontos alapelvei szempontjából. Tömege és sugara meghatározza, hogy az elektronok hogyan keringenek a mag körül. Ez képezi az alapját a Rydberg-állandónak, egy természetes állandónak, amely többek között megadja az elemeknek a jellemző spektrális vonalaikat. A proton és a neutron közötti tömegkülönbség szintén meghatározó szerepet játszik az atommag stabilitásában.
A protontömeg referenciaértékként is fontos az antianyag kutatása során. Elméletileg a szimmetria törése, amely megmagyarázza, hogy az anyag miért nyert fölényt a világegyetemben, apró tömegkülönbségekbe rejtőzhet a proton és az antiproton között. Ezért fontos a proton tömegének minél pontosabb ismerete.
Protonok a részecskecsapdában
De mint most kiderül, ezt a fontos értéket túlbecsülni lehetett volna. Kísérletükben Sven Sturm által vezetett fizikusok, a heidelbergi Max Planck Nukleáris Fizikai Intézetből minden eddiginél pontosabban meghatározták a proton tömegét. Ezt egy Penning-csapda segítségével tették lehetővé - egy tartály, amelyben a részecskéket szuszpenzióban tartják elektromos és mágneses mezők segítségével.
A változó mezők miatt a részecskék oldalirányban rezegnek, amikor a csapdán keresztül forgó spirális menetben haladnak. A legfontosabb: a proton forgási sebessége egyenesen arányos a tömeg/töltés arányával. A kutatók finomították a mérés technológiáját. Összehasonlították a protonok mozgását a 12C szénizotóp (12C 6+) ionjának mozgásával, és így különösen pontosan meg tudták határozni a proton tömegét.
"Először egy-egy protont és egy szén-iont (12C6 +) tároltunk Penning-csapda készülékünk külön rekeszeiben, majd a két ion egyikét felváltva csatornáztuk a központi mérőtérbe, és mértük benne a mozgásukat" - magyarázza Sturm.
Könnyebb, mint az előző referencia
Az eredmény: A kutatók által mért proton tömege 1,007276466583 atomi tömegegység (u). Ez lényegesen könnyebb, mint az 1.007276466879 u értéke, amelyet korábban referenciaként használtak - még akkor is, ha ez a különbség csak a kilencedik tizedesjegytől válik nyilvánvalóvá. A különbség három szórásnak felel meg, amint a tudósok megmagyarázzák.
Ez azt jelenti, hogy a proton egy kicsit könnyebb, mint azt korábban gondolták. Mint a kutatók elmagyarázzák, ez elmozdítja az atom viselkedés szempontjából fontos proton/elektron tömeg arányt és a proton/neutron arányt is, de az utóbbiban csak egy szórással.
Háromszor pontosabb, mint a korábbi mérések
Annak érdekében, hogy teljesen biztosak lehessünk abban, hogy a nem szisztematikus mérési hibák az alacsonyabb értékhez vezettek, a tudósok többször ellenőrizték értékeiket összehasonlítva más ionokkal. De minden alkalommal ugyanarra az alacsonyabb proton tömegre jutottak. "Nem tudtunk felfedezni olyan módszeres hatásokat, amelyek a módszerünknek köszönhetők" - mondta Sturm és munkatársai.
Ezenkívül az új mért érték 32 billiómilliárdra pontos - és így háromszor pontosabb, mint az összes korábbi mérés, amint arról a fizikusok beszámolnak. Ezért viszonylag bízik abban, hogy értéke közelebb áll a proton tényleges tömegéhez, mint a referencia. (Physical Review Letters, 2017; doi: 10.1103/PhysRevLett.119.033001)
(Max Planck Nukleáris Fizikai Intézet, 2017. július 21. - NPO)