Tien jaar geleden, zowat elke kernfysicus zou je de geschatte grootte van het proton kunnen vertellen. Maar dat veranderde in 2010, toen atoomfysici een nieuwe methode onthulden die een nauwkeurigere meting beloofde. De nieuwe hoeveelheid kwam 4% korter uit dan verwacht, het veroorzaken van een worsteling binnen de kern- en atoomfysica-gemeenschappen om te bepalen of dit tegenstrijdige resultaat te wijten was aan nieuwe fysica of een indicatie van problemen met de extractie van de hoeveelheid uit experimenten.

Nutsvoorzieningen, vier kernfysici, twee experimentatoren en twee theoretici, denk dat ze de discrepantie hebben opgelost met behulp van experimentele kernfysica-gegevens en een geavanceerd fysiek model om een ​​nieuwe waarde voor de grootte van het proton te verkrijgen. Het resultaat is gepubliceerd in Fysieke beoordeling C in april.

Een maatstaf naar het proton nemen

Een ding waar alle methoden het over eens zijn, is dat het proton klein is. De ladingsstraal van het proton, die de grootte van de verdeling van elektrische lading in het kerndeeltje meet, is iets minder dan een femtometer, met een enkele femtometer die registreert op een quadriljoenste van een meter.

Anders gezegd, als je een meterstok neemt en de lengte ervan in een miljard gelijke stukken verdeelt, en neem dan slechts één van die stukken en verdeel de lengte in nog eens miljoen stukken, de lengte van elk van die miljoen stukjes zal een femtometer zijn.

Omdat het zo klein is, de ladingsstraal van het proton kan niet direct worden gemeten. In plaats daarvan, kern- en atoomfysici gebruiken geavanceerde methoden om de protongrootte te bepalen.

"In principe, het gaat over de interactie van het proton met elektromagnetische velden, dat maakt deel uit van wat de elektromagnetische structuur van het proton wordt genoemd, of de vormfactor van het proton, " verklaarde Christian Weiss, een stafwetenschapper bij de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Department of Energy in het Center for Theoretical and Computational Physics. "Wat je meet, is de grootte van de ruimtelijke verdeling van de elektrische lading van het proton."

Twee's bedrijf, Drie is een menigte

Ongeveer 30 jaar geleden, kern- en atoomfysici kwamen met twee verschillende methoden om deze elektrische ladingsstraal te bepalen.

Kernfysici voeren experimenten uit via elektronenverstrooiing, waar elektronen naar protonen worden geslingerd, en de ladingsstraal van het proton wordt bepaald door de verandering in het pad van de elektronen nadat ze van het proton afkaatsen.

"In zekere zin, het elektron verstrooit altijd zo voorzichtig van dat proton, ' zei Weis.

Atoomfysici gebruiken ook elektronen om de straal van het proton te meten. Ze observeren, met behulp van spectroscopie, de energieniveaus van elektronen terwijl ze om een ​​kleine kern draaien, zoals waterstof (met één proton) of deuterium (met een proton en een neutron).

Met behulp van deze twee verschillende methoden, een straal van ongeveer 0,88 femtometers werd vastgesteld als de wereldwaarde.

Vervolgens, in 2010, een atoomfysica onderzoeksteam maakte een schokkende aankondiging. In een draai aan de atoomfysica-methode, het team mat de energieniveaus van elektronen in een baan rond in het laboratorium gemaakte waterstofatomen die een ronddraaiend elektron vervingen door een muon. Terwijl een muon dezelfde klasse van deeltjes is als het elektron, het heeft 200 keer de massa van het elektron en draait dus veel dichter bij het proton. Deze nabijheid betekent dat de ladingsstraal van het proton een groter effect heeft op zijn baan.

De nieuwe, nauwkeuriger methode leverde een meting op van 0,84 femtometers, of ongeveer 4% kleiner dan de wereldwaarde.

Het nieuwe resultaat veroorzaakte een razernij van activiteit rond een waarde waarvan de meeste natuurkundigen dachten dat ze al waren vastgesteld. Verdere elektronenverstrooiingsexperimenten waren gepland, aanvullende waterstof- en muonische waterstofspectroscopiemetingen werden gedaan, en de atomaire en nucleaire theorie werden opnieuw onderzocht op aanwijzingen.

Natuurkundigen confronteren elkaar

Hier bij Jefferson Lab, de nieuwe inspanningen leidden tot een herziening van de experimenten die werden gebruikt om de wereldwaarde vast te stellen en tot een herziening van de nucleaire theorie voor nauwkeurigere manieren om de gegevens te onderzoeken of de waarde van resultaten te voorspellen. Een team van vier kernfysici kwam samen om te werken aan de wetenschap achter de publicatie Physical Review C.

Ze begonnen met het aanpakken van een van de zorgen die experimentele kernfysici hadden over elektronenverstrooiingsgegevens:hoe de hoeveelheid voor de protonstraal werd verkregen uit experimentele gegevens.

"Het was een uitdaging om de straal van het proton te extraheren uit deze elektronenverstrooiingsgegevens, omdat de feitelijke verstrooiingsexperimenten enige overdracht van eindige impuls van het proton vereisen, Weiss legde uit. "Het getal waarin je geïnteresseerd bent, is de reactie van het proton bij een impulsoverdracht van nul, dus dat is iets dat niet direct toegankelijk is."

In plaats daarvan, kernfysici analyseren de gegevens die ze krijgen van experimenten met de laagste impulsoverdrachten en gebruiken vervolgens een procedure om naar nul te extrapoleren. Er is een voortdurend debat, echter, over welke momentumoverdrachten nog relevant zijn en hoe de extrapolatie moet gebeuren.

Twee leden van het team zijn experimentatoren:Douglas Higinbotham, een stafwetenschapper van Jefferson Lab, en Zhihong Ye, een senior onderzoeksmedewerker bij Argonne National Lab. Ze hebben de experimentele kant van de uitdaging opgelost door de pre-analyse wereldgegevens over een breed scala aan momentumoverdrachten te bekijken.

In plaats van de gegevens te extrapoleren om een ​​waarde te krijgen, in plaats daarvan plotten ze de gegevens over het volledige bereik van gemeten momentumoverdrachten, terwijl ze er rekening mee hielden dat de ladingsstraal van het proton een van de vele mogelijke waarden zou kunnen zijn.

"We hebben zojuist de straal in onze pasvormen vastgesteld en de analyse vele malen herhaald, vele keren, voor elke redelijke waarde van de straal, "zei Higinbotham. "En ging toen naar theoretici en vroeg hen om de theoretische krommen voor die stralen te genereren, zodat we kunnen vergelijken en kijken of er overeenstemming is."

De andere twee leden van het vierkoppige team zijn theoretici:Weiss en José Manuel Alarcón, een onderzoeksprofessor aan de Universidad Complutense de Madrid. Ze werkten samen om de theoretische methoden die werden gebruikt om het probleem te analyseren, aan te scherpen.

"We gebruikten een bepaalde theoretische methode genaamd effectieve veldtheorie om een ​​model te maken van de structuur van het proton voor hoe het reageert op elektromagnetische verstrooiing bij lage impulsoverdrachten, "Weiss uitgelegd. "De theorie condenseert de relevante structuur van het proton tot een paar getallen. En het stelt je in staat om de reactie van het proton op elektronenverstrooiing bij eindige impulsoverdrachten te voorspellen, en hoe dat gerelateerd is aan de laadstraal die je wilt extraheren."

Toen de experimentatoren en theoretici hun werk vervolgens vergeleken, ze vonden dat het convergeerde op een nieuwe waarde voor de straal van het proton, zoals weergegeven in de animatie.

"Wat absoluut mooi en opvallend is, is als je kijkt of er een straal is waar de globale fit en de theoretische berekening overeenkomen, er is er een. Het is .845 femtometers, "zei Higinbotham. "En het is vreemd genoeg consistent met het resultaat van de muonische straal en niet met veel van de eerdere resultaten van elektronenverstrooiing."

Een venster op nieuwe fysica

De zoektocht om deze discrepantie op te lossen is niet een kwestie van ijdele nieuwsgierigheid - de waarde voor deze hoeveelheid heeft verstrekkende gevolgen. Bijvoorbeeld, een nauwkeuriger resultaat kan onbekende gebieden van de kern- en deeltjesfysica aan het licht brengen.

"Het kan een venster zijn voor nieuwe fysica. Als we verschillende metingen voor de protonstraal niet met elkaar kunnen verzoenen, misschien is het omdat er nieuwe natuurkunde is die we niet begrijpen of die we niet in onze theorie hebben. Dat is een van de redenen waarom deze protonstraal zo belangrijk is, " legde Alarcon uit.

Op de vraag of ze denken dat dit de definitieve bepaling voor deze hoeveelheid is, alle vier de onderzoekers aarzelden.

"Wetenschap is een proces van opeenvolgende verfijning van ideeën en methoden, waarin ons huidige begrip slechts een stadium is van waaruit we overgaan naar meer accurate theorie en experimenten, ' zei Wies.

Voor nu, ze wijzen op verschillende recente experimentele onderzoeken die nieuwere technologieën gebruiken om de waarde met nog hogere precisie te meten, inclusief het PRad-experiment dat in 2016 elektronenverstrooiingsgegevens nam in Experimental Hall B van Jefferson Lab. Het is genoemd naar zijn doel:een steeds nauwkeurigere meting van de straal van het proton.

"Het PRad-resultaat komt dit jaar uit. Het zal interessant zijn om te zien of het nieuwe resultaat onze wetenschappelijke analyse kan bevestigen, " zei Je.