Ο αγώνας έλξης σωματιδίων οδηγεί στην πιο ακριβή εκτίμηση της μάζας του πρωτονίου
Εδώ είναι μια περίεργη μικρή ιστορία. Δύο φυσικοί περιόρισαν δύο ιόντα σε μια ηλεκτρομαγνητική παγίδα και τους έβαλαν να κάνουν γύρους για εβδομάδες για να συγκρίνουν τις μάζες τους με εξαιρετική ακρίβεια. Από αυτή τη μέτρηση και μια δανεισμένη από άλλη ομάδα, έβγαλαν την πιο ακριβή εκτίμηση μέχρι τώρα για τη μάζα του πρωτονίου:1,007276466574 μονάδες ατομικής μάζας (amu), συν ή πλην 10 τρισεκατομμυριοστά του amu. Αυτός ο μικρός αριθμός μπορεί να είναι μεγάλη υπόθεση, επειδή η ακριβής γνώση της μάζας του πρωτονίου μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να αναζητήσουν νέες δυνάμεις.
«Είναι μια πολύ όμορφη τεχνική», λέει ο Μάθιου Ρέντσοου, πυρηνικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Central Michigan που δεν συμμετείχε στην εργασία. Ο Jeroen Koelemeij, ατομικός και μοριακός φυσικός στο Ελεύθερο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ, συμφωνεί. "Τους πιστώνω μόνο για την ιδέα."
Για να προσδιορίσουν τις μάζες των ελαφρών ατομικών πυρήνων όπως το πρωτόνιο, οι επιστήμονες βασίζονται σε φυσική που είναι οικεία σε μαθητές γυμνασίου. Πυροβολήστε ένα φορτισμένο σωματίδιο όπως ένα πρωτόνιο κάθετα μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο και το πεδίο θα το ωθήσει προς τα πλάγια, ώστε να κάνει κύκλους σε μια συχνότητα που αποκαλύπτει τη μάζα του σωματιδίου. Στην πράξη, για να βελτιώσουν την ακρίβεια της μέτρησης, οι φυσικοί συγκρίνουν τις συχνότητες δύο διαφορετικών τύπων σωματιδίων για να μετρήσουν την αναλογία των μαζών τους.
Για παράδειγμα, το 2020, ο Edmund Myers και ο David Fink, ατομικοί φυσικοί στο Florida State University, μέτρησαν την αναλογία των μαζών ενός δευτερονίου, ενός ατομικού πυρήνα που αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο και ένα ιονισμένο μόριο υδρογόνου - δύο χημικά συνδεδεμένα πρωτόνια που μοιράζονται ένα μόνο ηλεκτρόνιο. Τα δύο σωματίδια έχουν πανομοιότυπα φορτία και σχεδόν ίσες μάζες, επομένως περιφέρονται με την ίδια σχεδόν συχνότητα, αυξάνοντας την ακρίβεια της μέτρησης.
Για να κάνουν το δευτερόνιο και το ιόν υδρογόνου σε τροχιά υπό τις ίδιες συνθήκες, ο Myers και ο Fink κράτησαν τα δύο στην ίδια ηλεκτρομαγνητική παγίδα για εβδομάδες κάθε φορά. Θα στάθμευαν το ένα σε μια μεγάλη τροχιά πλάτους 4 χιλιοστών ενώ μέτρησαν το άλλο να στροβιλίζεται σε μια τροχιά 40 μικρομέτρων στο κέντρο της παγίδας, εναλλάσσοντάς τα κάθε 10 λεπτά. Ωστόσο, ακόμη και αυτή η τεχνική δεν ήταν αρκετή για να διασφαλίσει ότι οι μετρήσεις των δύο σωματιδίων ήταν ακριβώς συγκρίσιμες. «Σε αυτά τα 10 λεπτά, το μαγνητικό πεδίο μπορεί να αλλάξει», λέει ο Myers.
Ο Myers και ο Fink έχουν πλέον εξαλείψει αυτό το πρόβλημα. Αναβιώνοντας μια τεχνική που αναπτύχθηκε πριν από 20 χρόνια στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης, περιέστρεψαν το δευτερόνιο και το ιόν υδρογόνου στο κέντρο της παγίδας τους ταυτόχρονα, έτσι κινήθηκαν μέσα από το ίδιο ακριβώς μαγνητικό πεδίο. Οι ερευνητές συνέκριναν τις συχνότητες των ιόντων με τέσσερις φορές μεγαλύτερη ακρίβεια από πριν. Χρησιμοποιώντας ορισμένα θεωρητικά αποτελέσματα που τους επέτρεψαν να προσδιορίσουν την αναλογία μάζας δευτερονίου προς πρωτόνιο σε 4,5 μέρη ανά τρισεκατομμύριο, αναφέρουν σε ένα έγγραφο που εκδόθηκε στο Physical Review Letters .
«Ο Εντ δεν του αρέσει να χτυπά τη τρομπέτα του, αλλά αυτή είναι μια από τις πιο ακριβείς μετρήσεις αναλογίας μάζας μέχρι σήμερα», λέει ο Redshaw.
Τέλος, για να υπολογίσουν τη μάζα του πρωτονίου, οι Myers και Fink συνδύασαν την αναλογία τους με μια εξαιρετικά ακριβή μέτρηση της μάζας του δευτερονίου που δημοσιεύτηκε πέρυσι από μια συνεργασία με επικεφαλής φυσικούς στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής Max Planck. (Αυτή η ομάδα χρησιμοποίησε μια παγίδα για να συγκρίνει τις τροχιακές συχνότητες ενός δευτερονίου και ενός ιόντος άνθρακα-12, και εξ ορισμού ένα άτομο άνθρακα-12 έχει μάζα ακριβώς 12 amu.) Η νέα εκτίμηση μάζας πρωτονίων έχει το ένα πέμπτο της αβεβαιότητας της επίσημης μέσης τιμής που παρατίθεται από την Επιτροπή Δεδομένων του Διεθνούς Επιστημονικού Συμβουλίου (CODATA) και το ένα τρίτο της κορυφαίας παγκοσμίως μέτρησης του ομίλου Max Planck. Και τα τρία αποτελέσματα συμφωνούν.
Λοιπόν, είναι καιρός να βάλουμε μολύβι σε μια νέα τιμή για τη μάζα πρωτονίων; Ίσως όχι ακόμα, λέει ο Myers. Αυτός και ο Φινκ δημιούργησαν το παγιδευμένο ιόν υδρογόνου χρησιμοποιώντας μια δέσμη ηλεκτρονίων για να χτυπήσουν ένα ηλεκτρόνιο από ένα μόριο υδρογόνου. Αυτή η βίαιη διαδικασία αφήνει το ιόν να δονείται και να περιστρέφεται με εσωτερική ενέργεια. Όπως δηλώνει η θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, αυτή η ενέργεια είναι ισοδύναμη με μάζα—και ενισχύει ελαφρώς τη μετρούμενη μάζα του ιόντος, μια επίδραση για την οποία οι Myers και Fink έπρεπε να διορθώσουν.
Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, η ποσότητα δόνησης ή περιστροφικής ενέργειας στο ιόν έρχεται σε διακριτά βήματα. Ο πειραματιστής μπορούσε να παρακολουθήσει τη μείωση της μάζας ενός ιόντος καθώς ακτινοβολούσε τη δονητική ενέργεια ένα βήμα τη φορά. Αλλά για να υπολογίσουν πόση περιστροφική ενέργεια είχε σε κάθε βήμα, οι Myers και Fink βασίστηκαν σε συμπεράσματα που βασίζονται στη θεωρία, εισάγοντας κάποια αβεβαιότητα.
Ακόμα κι αν η ομάδα δεν έχει αυτές τις εκχωρήσεις ακριβώς σωστά, τα δεδομένα υποδηλώνουν ότι η αβεβαιότητα στην εκτίμησή της για τη μάζα πρωτονίων πιθανότατα δεν είναι μεγαλύτερη από περίπου 16 μέρη ανά τρισεκατομμύριο, λέει ο Redshaw, αφήνοντάς την την πιο ακριβή τιμή μέχρι τώρα. Ο Koelemeij λέει ότι η ομάδα του χρησιμοποιεί ένα λέιζερ για να δημιουργήσει και να παγιδεύσει ιόντα υδρογόνου σε γνωστές καταστάσεις δόνησης και περιστροφής. Αυτή η τεχνική μπορεί να συνδυαστεί με αυτή του Myers και του Fink για να μειώσει περαιτέρω την αβεβαιότητα, λέει.
Οι εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις των μαζών πρωτονίων και δευτερονίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη των κβαντικών καταστάσεων ενός μορίου που αποτελείται από ένα δευτερόνιο και ένα άτομο υδρογόνου, το οποίο μπορεί να ανιχνευθεί με λέιζερ. Οποιεσδήποτε αποκλίσεις από τις προβλέψεις θα ήταν σημάδια νέων φυσικών φαινομένων, όπως μια πρόσθετη δύναμη της φύσης. Αν και απίθανο, μια τέτοια ανακάλυψη θα έστελνε όλη τη φυσική σε μια δίνη.
