Onstabiel helium voegt een limiet toe aan het voortdurende epos aan de grootte van het proton

Natuurkundigen, die hun leven hebben gewijd aan het bestuderen van het onderwerp, houden niet zo van natuurkunde omdat ze altijd hopen dat het kapot gaat. Maar we moeten ze vergeven. Als we ontdekken dat een kleine theorie de experimentele resultaten niet kan verklaren, is dat een teken dat we misschien een nieuwe theorie nodig hebben, en dat zou elke natuurkundige enthousiast maken.

Een van de dingen die de afgelopen jaren meer gebroken leek, was de ogenschijnlijk eenvoudige meting: de straal van de lading van een proton, die een maat is voor zijn fysieke grootte. Metingen gedaan met waterstofatomen, waarbij een enkel elektron om een ​​proton draait, gaven ons één antwoord. Metingen waarbij het elektron werd vervangen door een zwaarder deeltje, het muon genaamd, gaven ons een ander antwoord – en de resultaten waren inconsistent. Er is veel moeite gedaan om deze tegenstrijdigheid weg te nemen, en Het werd kleinerMaar het is niet verdwenen.

Dit is wat de theoretici doet kwijlen. Het standaardmodel heeft geen ruimte voor het soort verschillen tussen elektronen en muonen, dus zou dit een teken kunnen zijn dat het standaardmodel fout is? Het team achter enkele van de vorige metingen is nu terug met een nieuwe meting, waarbij het gedrag wordt gevolgd van een muon in een baan om een ​​heliumkern. De resultaten komen overeen met andere metingen van de straal van de heliumlading, wat aangeeft dat er niets grappigs aan het muon is. Het standaardmodel kan dus opgelucht ademhalen.

Muon-meting?

De betreffende meting is, simpel gezegd, behoorlijk gek. Muonen zijn in feite zware kopieën van elektronen, dus het is relatief eenvoudig om de ene door de andere in een atoom te vervangen. De muonmassa biedt enkele voordelen bij dit soort metingen. De massa zorgt ervoor dat de muon-orbitalen uiteindelijk worden gecomprimeerd tot het punt dat hun golffunctie de golffunctie van de kern verstoort. Als gevolg hiervan is het gedrag van het muon wanneer het rond de kern draait erg gevoelig voor de straal van de lading van de kern.

Dit alles zou geweldig zijn, ware het niet dat muonen onstabiel zijn en doorgaans vervallen in minder dan 2 microseconden. Het plaatsen van een van hen in een baan rond een heliumkern verhoogt de complicaties, aangezien helium gewoonlijk twee elektronen in een baan heeft en ze met elkaar kunnen interageren. De verwachte drievoudige interacties van een muon-elektron-kern zijn momenteel buiten ons vermogen om te berekenen, wat betekent dat we geen idee hebben of het feitelijke gedrag verschilt van de theorie.

Dus hebben de onderzoekers dit probleem opgelost door een positief geladen ion te creëren dat bestaat uit een heliumkern en een enkele muon die er in een baan omheen draait. Het maken van een van deze – of beter gezegd: honderden maken – is waar de rage begint.

De onderzoekers hadden toegang tot de muonbundel die werd gecreëerd door de deeltjesversneller en besloten de straal op een bepaald heliumgas te richten. Tijdens het proces, wanneer muonen binnenkomen, heeft het veel energie om in een baan rond een heliumkern te blijven, dus het stuitert rond en verliest energie bij elke botsing. Zodra muonen voldoende zijn vertraagd, kunnen ze een hoogenergetische baan in een heliumatoom ingaan en daarbij met een van zijn elektronen botsen. Maar het tweede elektron is er nog steeds en verpest alle mogelijke metingen.

Maar het muon heeft veel momentum vanwege zijn massa, en de energieoverdracht binnen het atoom is sneller dan het energieverlies in de omgeving. Dus terwijl het muon een deel van zijn energie aan het elektron overdraagt, zorgt de kleinere massa van het elektron ervoor dat dit voldoende is om het elektron uit het atoom te krijgen, waardoor we een helium-muon-ion overhouden. Gelukkig gebeurde dit allemaal snel genoeg zodat de muon geen kans had om te ontbinden.

Laat de waanzin beginnen

Op dit punt bevindt het muon zich meestal in een lagere energiebaan, maar heeft het meer energie dan de grondtoestand. De onderzoekers zetten een trigger die gevoelig is voor het ontstaan ​​van muonen in het experiment. Na een vertraging zodat de muonen de twee elektronen kunnen uitwerpen, zorgt de trigger ervoor dat de laser het monster raakt met de juiste hoeveelheid energie om het muon van de 2S-baan naar de 2P-baan te versterken. Van daaruit zal het uiteenvallen naar de grondtoestand en daarbij röntgenstralen vrijgeven.

Veel muonen zullen niet in een 2S-baan zijn en de laser heeft geen effect op hen. De onderzoekers waren bereid veel van het muonhelium dat ze hadden gemaakt op te offeren om nauwkeurige metingen te hebben voor degenen die in de juiste staat waren. Hun aanwezigheid werd aangegeven door röntgendetectie met de juiste energie. Om er zeker van te zijn dat ze naar het juiste keken, gebruikten de onderzoekers alleen de gegevens die verband hielden met een hoogenergetisch elektron geproduceerd door muonverval.

En onthoud, dit alles moest snel genoeg gebeuren om binnen een milliseconde tijdvenster te gebeuren voordat het muon vervalt.

De eerste stap was het instellen van de gebruikte laser op de juiste frequentie om het muon in de 2P-baan te versterken, omdat dit de waarde is die we moeten meten. Dit werd gedaan door een instelbare laser over een frequentiebereik in te stellen totdat helium röntgenstralen begon te produceren. Nadat de frequentie was bepaald, namen de onderzoekers de gegevens 10 dagen op, wat voldoende was voor nauwkeurige metingen van de frequentie. Gedurende deze tijd observeerden de onderzoekers 582 helium-muonionen.

Op basis van berekeningen met laserfrequentie ontdekten de onderzoekers dat de ladingsradius van een heliumkern 1,6782 femtometers is. Metingen die zijn uitgevoerd door elektronen van de kern te laten weerkaatsen, geven 1.681 aan. Deze twee waarden behoren tot experimentele fouten, dus ze zijn het er sterk mee eens.

Het spijt ons, het was niet kapot

Op het eenvoudiger niveau geeft het feit dat muonmetingen samenvallen met onafhankelijk uitgevoerde metingen aan dat er niets speciaals is aan muonen. Het standaardmodel, dat hetzelfde zegt, blijft dus intact in de vrij kleine mate die experimentele fouten hier toelaten. (Dat betekent natuurlijk niet dat het niet anders was gebroken.) Dus theoretici zullen overal teleurgesteld zijn.

Afgezien van entertainment vergeleken de onderzoekers de waarde ervan met een die decennia geleden werd gegenereerd in deeltjesversnellers bij CERN. Deze waarde bleek hetzelfde te zijn, maar alleen bij toeval, aangezien het vorige werk twee compensatiefouten had. De onderzoekers merken op dat “de geciteerde ladingsradius niet te ver van onze waarde ligt”, maar dat dit kan worden teruggevoerd op het beschamende samenvallen van een vals experiment in combinatie met een onvolledige voorspelling van de 2P-2S-theorie, toevallig. – valse waarde. ”Dus in dit geval maakten twee fouten ons bijna gelijk.

Dit werk zal de aandacht van de onderzoekers echter richten op het proberen te ontdekken waarom verschillende experimenten met protonen resultaten blijven opleveren die niet helemaal met elkaar overeenstemmen, aangezien we de dingen niet de schuld kunnen geven van het feit dat het muon vreemd is. Ondertussen kunnen we allemaal waarderen hoe geweldig we zoveel kunnen doen met muonen in een fractie van een seconde waarin ze zich bevinden.

Natuur, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03183-1 (Over DOI’s).