Протонът е по-лек от очакваното - масата е с три стандартни отклонения по-ниска от предишната
Масата е три стандартни отклонения по-ниска, отколкото при предишните измервания
Елементарни частици на везните: протонът е значително по-лек, отколкото се смяташе досега. Това се доказва от най-прецизното измерване на протонната маса до момента. Тази разлика се проявява до деветия знак след десетичната запетая, но все пак съответства на три стандартни отклонения, както съобщават изследователите. С оглед на фундаменталното значение на протонната маса за физиката, това е абсолютно важно.
Протонът е един от основните градивни елементи на материята, заедно с неутронът образува атомните ядра на всички елементи. Свойствата на протона са съответно важни за важните основни принципи на физиката. Неговата маса и радиус определят как електроните обикалят около ядрото. Това формира основата за константата на Ридберг, естествена константа, която освен всичко друго придава на елементите характерните им спектрални линии. Масовата разлика между протон и неутрон също играе решаваща роля за стабилността на атомното ядро.
Протонната маса също е важна като референтна стойност при изследване на антиматерията. На теория прекъсването на симетрията, което обяснява защо материята е взела надмощие във Вселената, може да се скрие в малките масови разлики между протона и антипротона. Ето защо е важно да се знае масата на протона възможно най-точно.
Протони в капана на частиците
Но както показва сега, тази важна стойност би могла да бъде надценена. В своя експеримент физиците, водени от Свен Щурм от Института за ядрена физика Макс Планк в Хайделберг, определят масата на протона по-точно от всякога. Това стана възможно с помощта на капана на Пенинг - контейнер, в който частиците се държат в суспензия посредством електрически и магнитни полета.
Променящите се полета карат частиците да вибрират странично, докато се движат през капана във въртящ се спирален ход. Най-важното: скоростта, с която се върти протонът, е пряко пропорционална на съотношението му към заряд. Изследователите са усъвършенствали измервателната технология за своето измерване. Те сравниха движението на протоните с това на йон на въглеродния изотоп 12C (12C 6+) и успяха да определят протонната маса особено точно.
„Първо съхранихме по един протон и един въглероден йон (12C6 +) всеки в отделни отделения на нашия апарат за улавяне на Penning, след което последователно насочихме един от двата йона в централното измервателно отделение и измерихме тяхното движение в него“, обяснява Щурм.
По-лек от предишния еталон
Резултатът: Масата на протона, измерена от изследователите, е 1.007276466583 атомни единици маса (u). Това е значително по-лесно от стойността на 1.007276466879 u, която преди е била използвана като референция - дори ако тази разлика става очевидна едва от деветия знак след десетичната запетая. Разликата съответства на три стандартни отклонения, както обясняват учените.
Това означава, че протонът е малко по-лек, отколкото се смяташе досега. Както обясняват изследователите, това също променя съотношението маса на протон към електрон и това на протон към неутрон, което е важно за атомното поведение, но само с едно стандартно отклонение за последния.
Три пъти по-прецизно от предишните измервания
За да бъдат абсолютно сигурни, че несистематичните грешки в измерването водят до по-ниска стойност, учените проверяват стойностите им няколко пъти, като ги сравняват с други йони. Но всеки път те достигнаха до същата по-ниска протонна маса. „Не успяхме да открием никакви систематични ефекти, които се дължат на нашия метод“, каза Щурм и колегите му.
В допълнение, новата измерена стойност е с точност до 32 трилионти - и по този начин три пъти по-точна от всички предишни измервания, както съобщават физиците. Следователно сте относително уверени, че стойността му е по-близка до действителната маса на протона, отколкото референтната. (Physical Review Letters, 2017; doi: 10.1103/PhysRevLett.119.033001)
(Институт по ядрена физика на Макс Планк, 21 юли 2017 г. - NPO)