Wat is de massa van een proton? Wetenschappers uit Duitsland en Japan hebben een belangrijke stap gezet om deze fundamentele constante beter te begrijpen. Door middel van precisiemetingen op een enkel proton, ze waren in staat om de precisie met een factor drie te verbeteren en ook de bestaande waarde te corrigeren.

Om de massa van een enkel proton nauwkeuriger te bepalen, de groep natuurkundigen van het Max Planck Instituut voor Nucleaire Fysica in Heidelberg en RIKEN in Japan voerde een belangrijke zeer nauwkeurige meting uit in een zeer geavanceerd Penning-valsysteem, ontworpen door Sven Sturm en Klaus Blaum van MPI-K, met behulp van ultragevoelige enkelvoudige deeltjesdetectoren die deels zijn ontwikkeld door het Ulmer Fundamental Symmetries Laboratory van RIKEN.

Het proton is de kern van het waterstofatoom en een van de basisbouwstenen van alle andere atoomkernen. Daarom, de massa van het proton is een belangrijke parameter in de atoomfysica:het is een van de factoren die van invloed zijn op hoe de elektronen rond de atoomkern bewegen. Dit wordt weerspiegeld in de spectra, d.w.z., de lichte kleuren (golflengten) die atomen kunnen absorberen en weer uitstralen. Door deze golflengten te vergelijken met theoretische voorspellingen, het is mogelijk om fundamentele natuurkundige theorieën te testen. Verder, nauwkeurige vergelijkingen van de massa's van het proton en het antiproton kunnen helpen bij het zoeken naar het cruciale verschil - naast het omgekeerde teken van de lading - tussen materie en antimaterie.

Penning traps zijn goed bewezen als geschikte "schalen" voor ionen. In zo'n val het is mogelijk om te beperken, bijna voor onbepaalde tijd, enkelvoudig geladen deeltjes zoals een proton, bijvoorbeeld, door middel van elektrische en magnetische velden. In de val, het ingesloten deeltje voert een karakteristieke periodieke beweging uit bij een bepaalde oscillatiefrequentie. Deze frequentie kan worden gemeten en de massa van het deeltje kan daaruit worden berekend. Om de beoogde hoge precisie te bereiken, een uitgebreide meettechniek nodig was.

De koolstof isotoop ¹² C met een massa van 12 atomaire massa-eenheden wordt gedefinieerd als de massastandaard voor atomen. "We gebruikten het direct ter vergelijking, " zegt Sven Sturm. "Eerst hebben we elk één proton en één koolstofion opgeslagen ( ¹² C ⁶⁺ ) in aparte compartimenten van ons Penning-valapparaat, transporteerde vervolgens elk van de twee ionen naar het centrale meetcompartiment en mat de beweging ervan." Uit de verhouding van de twee gemeten waarden verkreeg de groep de massa van het proton rechtstreeks in atomaire eenheden. Het meetcompartiment was uitgerust met speciaal ontwikkelde, speciaal gebouwde elektronica. Andreas Mooser van RIKEN's Fundamental Symmetries Laboratory legt de functie uit:"Het stelde ons in staat om het proton te meten onder identieke omstandigheden als het koolstofion, ondanks zijn ongeveer 12 keer lagere massa en 6 keer kleinere lading."

De resulterende massa van het proton, vastgesteld op 1.007276466583 (15) (29) atomaire massa-eenheden, is drie keer nauwkeuriger dan de momenteel geaccepteerde waarde. De getallen tussen haakjes verwijzen naar de statistische en systematische onzekerheden, respectievelijk.

Intrigerend, de nieuwe waarde is aanzienlijk kleiner dan de huidige standaardwaarde. Metingen door andere auteurs leverden discrepanties op met betrekking tot de massa van het tritiumatoom, de zwaarste waterstofisotoop (T = ³ H), en de massa van licht helium ( ³ Hij) vergeleken met het "halfzware" waterstofmolecuul HD (D = ² H, deuterium, zware waterstof). "Ons resultaat draagt ​​bij aan het oplossen van deze puzzel, omdat het de massa van het proton in de juiste richting corrigeert, ' zegt Klaus Blaum.

Florian Köhler-Langes van MPIK legt uit hoe de onderzoekers de nauwkeurigheid van hun meting verder willen verbeteren:"In de toekomst zullen we zullen een derde ion opslaan in onze valtoren. Door gelijktijdig de beweging van dit referentie-ion te meten, we zullen in staat zijn om de onzekerheid die voortkomt uit fluctuaties van het magnetische veld te elimineren." Het werk werd gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .