Een internationale samenwerking van wetenschappers van RIKEN's Ulmer Fundamental Symmetries Laboratory (FSL), Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Max Planck Instituut voor Kernfysica, Heidelberg en GSI Darmstadt, zeer nauwkeurige technieken hebben gebruikt om de meest nauwkeurige meting tot nu toe van het magnetische moment van het proton te maken, vinden dat het 2.79284734462 plus of min 0.00000000082 nucleaire magnetons is, de eenheid die gewoonlijk wordt gebruikt om deze eigenschap te meten. Het magnetische moment, een eigenschap van deeltjes die aanleiding geeft tot magnetisme, is een van de fundamentele eigenschappen van het proton en is de sleutel tot het begrijpen van eigenschappen zoals de structuur van atomen.

Er was nauwgezet werk nodig om deze ongekende metingen uit te voeren, die een precisie hebben die beter is dan één deel per miljard. Eerst, de onderzoekers moesten een enkel proton isoleren - niet twee of drie - in de val. Ze deden dit door het thermische signaal te detecteren van de ionen die vastzaten in de val, en vervolgens een elektrisch veld gebruiken om ze te elimineren totdat ze er nog maar één over hadden.

De sleutel tot de enorme precisie, echter, was een combinatie van extreem moeilijke techniek in combinatie met de mogelijkheid om het proton tussen twee verschillende vallen te pendelen.

De methode van de groep om het magnetische moment van een deeltje direct te meten is gebaseerd op het feit dat een proton in een Penning-val zijn spin uitlijnt met het magnetische veld van de val. De basismethode is om de detector te gebruiken om twee frequenties te meten, bekend als de Larmor-frequentie (spin-precessie) en de cyclotronfrequentie van het proton in een magnetisch veld. Deze kunnen worden gebruikt om het magnetische moment te vinden. De cyclotronfrequentie van het proton kan worden gemeten met behulp van de zogenaamde Brown-Gabrielse invariantiestelling, terwijl de Larmor-frequentie kan worden gemeten door spin-flips aan te sturen - met behulp van een radiofrequentiesignaal dat het deeltje verwarmt - en de waarschijnlijkheid van een spin-flip te meten als een functie van de aandrijffrequentie.

De toch al hoge nauwkeurigheid van deze metingen kan nog verder worden opgevoerd, echter, door gebruik te maken van de dubbele trapmethode, waar de cyclotronfrequentie wordt gemeten en spinovergangen worden geïnduceerd in een eerste val. Het proton wordt dan voorzichtig naar een tweede val gebracht, waarbij de spintoestand wordt gedetecteerd met behulp van een grote magnetische inhomogeniteit - een magnetische fles. De ruimtelijke scheiding van zeer nauwkeurige frequentiemeting en spintoestanddetectie maakt uiterst nauwkeurige metingen mogelijk.

Voor de huidige experimenten drie individuele protonen werden gebruikt voor een totaal van 1, 264 experimentcycli, elk duurt ongeveer 90 minuten. Het hele experiment vergde ongeveer vier maanden inclusief onderhoud en systematische kruiscontroles.

Volgens Georg Schneider, de eerste auteur van het artikel, "Om vooruit te komen in de deeltjesfysica, we hebben ofwel hoogenergetische installaties ofwel supernauwkeurige metingen nodig. Met ons werk nemen we de tweede weg, en we hopen in de toekomst soortgelijke experimenten met antiprotonen te doen met dezelfde techniek. Hierdoor krijgen we een beter inzicht in bijvoorbeeld, atoom structuur."

Volgens Andreas Mooser, tweede auteur van de studie en lid van RIKEN FSL, "Ergens naar uitkijken, met behulp van deze techniek, we zullen in staat zijn om vergelijkbare nauwkeurige metingen van het antiproton te doen bij het BASE-experiment in CERN, en dit zal ons in staat stellen om naar verdere hints te zoeken waarom er tegenwoordig geen antimaterie in het universum is."

Het werk werd op 23 november gepubliceerd in Wetenschap .