Fizyka: Ile waży proton? Fizycy z USA policzyli

Ważny eksperyment amerykańskich naukowców. Dwóch fizyków oszacowało na nowo prawdopodobną masę protonu dzięki technice opracowanej już dwie dekady temu. Eksperyment ma ogromne znaczenie dla nauki – zwraca uwagę portal TVP Nauka. Proton to naładowana dodatnio cząstka, która wraz z neutronem wchodzi w skład jądra atomu. Naukowcy od lat próbują oszacować masę tej subatomowej cząstki z jak największą dokładnością. Edmund Myers i David Fink, fizycy z Florida State University, postanowili na nowo zmierzyć stosunek mas jądra atomowego deuteru oraz zjonizowanej cząsteczki wodoru. Wyniki badania opisano w magazynie „Physical Review Letters”. Deuter to jeden z rodzajów izotopów wodoru, a jego jądro – deuteron – składa się z jednego protonu i neutronu. Zjonizowana cząsteczka wodoru ma za to w swoim składzie dwa protony i jeden elektron. To oznacza, że badane cząstki miały identyczne ładunki i niemal taką samą masę . Wykorzystanie dwóch różnych cząstek do określenia masy protonu było celowe. Tak małe i niezwykle lekkie obiekty jak składniki jąder atomowych są porównywane do innych cząstek, aby uzyskać jak najbardziej precyzyjny pomiar. Eksperyment Aby określić masę protonu, należy „wystrzelić” naładowaną dodatnio cząstkę prostopadle do pola magnetycznego. W efekcie linie pola magnetycznego rozpraszają się na boki, tworząc kolistą strukturę. Na podstawie częstotliwości ruchu cząstek po powstających okręgach określa się masę obiektów. W praktyce fizycy porównali ze sobą częstotliwości zarówno deuteronu jak i zjonizowanej cząsteczki wodoru. W wyniku tego zabiegu otrzymali jak dotąd najbardziej precyzyjny wynik masy protonu. Myers i Fink umieścili na kilka tygodni deuteron i zjonizowany wodór w „pułapce” elektromagnetycznej, zapewniając cząstkom takie same warunki podczas eksperymentu. Jedna z nich znajdowała się w samym centrum pułapki i poruszała się na orbicie o średnicy 40 mikrometrów. Naukowcy dokonywali pomiarów, podczas gdy druga z cząstek umieszczona była na orbicie o średnicy 4 milimetrów. Fizycy zamieniali cząstki miejscami co 10 minut. Jednak nawet przy tak pracochłonnej technice trudno im było otrzymać porównywalne wyniki. – W ciągu tych 10 minut pole magnetyczne może się zmienić – komentuje Myers. #wieszwiecej Polub nas Aby wyeliminować ten problem, Myers i Fink umieścili obie cząstki w centrum pułapki jednocześnie. Tym samym wykorzystali znaną wcześniej metodę, opracowaną 20 lat temu przez ekspertów w Massachusetts Institute of Technology. Deuteron i zjonizowana cząsteczka wodoru poruszały się w obrębie identycznego pola magnetycznego. To umożliwiło porównanie ich częstotliwości krążenia po orbicie z czterokrotnie większą precyzją. Korzystając z wcześniejszych wyników, naukowcy określili stosunek masy deuteronu do protonu na poziomie 4,5 części na bilion (4,5 ppt). – Jest to jeden z najdokładniejszych dotychczas pomiarów stosunku masy – wskazał Matthew Redshaw, fizyk z Central Michigan University. Aby oszacować samą masę protonu, fizycy zestawili swój wynik z jednym z najprecyzyjniejszych pomiarów masy deuteronu, jaki istnieje. Dokonali go w 2020 roku naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka. Na podstawie zebranych danych Myers i Fink najdokładniej oszacowali masę jednego protonu: 1.007276466574 j.m.a (jednostka masy atomowej) . Jednak zdaniem autorów czas na zaktualizowanie wartości masy protonu jeszcze nie nadszedł. Ultraprecyzyjne pomiary mas protonów i deuteronów mogą być wykorzystane do przewidywania różnych stanów cząstek elementarnych. Wszelkie anomalie pomiarów w fizyce kwantowej mogłyby świadczyć o nowych zjawiskach fizycznych. Być może dzięki temu w przyszłości zostanie odkryta nowa siła oddziaływania w przyrodzie, która na zawsze zmieniłaby fizykę, jaką znamy.