Onderzoekers van de Universiteit van York hebben een nauwkeurige meting gedaan van de grootte van het proton - een cruciale stap in de richting van het oplossen van een mysterie dat wetenschappers over de hele wereld het afgelopen decennium bezighield.

Wetenschappers dachten dat ze de grootte van het proton wisten, maar dat veranderde in 2010 toen een team van natuurkundigen de waarde van de protonstraal vier procent kleiner dan verwacht te meten, die de wetenschappelijke gemeenschap in verwarring bracht. Vanaf dat moment, 's werelds natuurkundigen hebben zich ingespannen om de proton-radius-puzzel op te lossen - de inconsistentie tussen deze twee proton-radius-waarden. Deze puzzel is tegenwoordig een belangrijk onopgelost probleem in de fundamentele fysica.

Nutsvoorzieningen, een studie die in het tijdschrift wordt gepubliceerd Wetenschap vindt een nieuwe meting voor de grootte van het proton op 0,833 femtometers, dat is iets minder dan een biljoenste van een millimeter. Deze meting is ongeveer vijf procent kleiner dan de eerder geaccepteerde straalwaarde van vóór 2010.

De studie, onder leiding van onderzoekers van de faculteit Wetenschappen van de Universiteit van York, presenteert een nieuwe op elektronen gebaseerde meting van hoe ver de positieve lading van het proton zich uitstrekt, en het bevestigt de bevinding uit 2010 dat het proton kleiner is dan eerder werd aangenomen.

"Het niveau van precisie dat nodig is om de protongrootte te bepalen, maakte dit de moeilijkste meting die ons laboratorium ooit heeft geprobeerd, " zei Distinguished Research Professor Eric Hessels, Vakgroep Natuur- en Sterrenkunde, die de studie leidde.

"Na acht jaar aan dit experiment te hebben gewerkt, we zijn verheugd om zo'n zeer nauwkeurige meting op te nemen die helpt bij het oplossen van de ongrijpbare proton-radius-puzzel, ’ zei Hessel.

De zoektocht naar het oplossen van de proton-radius puzzel heeft verstrekkende gevolgen voor het begrip van de natuurwetten, zoals de theorie van de kwantumelektrodynamica, die beschrijft hoe licht en materie op elkaar inwerken.

Hessen, die een internationaal erkende fysicus en expert in atoomfysica is, zegt dat drie eerdere studies cruciaal waren in een poging om de discrepantie tussen op elektronen gebaseerde en op muonen gebaseerde bepalingen van de protongrootte op te lossen.

De studie van 2010 was de eerste die muonische waterstof gebruikte om de protongrootte te bepalen, vergeleken met eerdere experimenten die gewone waterstof gebruikten. Destijds, wetenschappers bestudeerden een exotisch atoom waarin het elektron is vervangen door een muon, de zwaardere neef van het elektron. Terwijl een studie uit 2017 met waterstof overeenkwam met de op muon gebaseerde bepaling van de protonladingsstraal uit 2010, een experiment uit 2018, ook waterstof gebruiken, ondersteunde de waarde van vóór 2010.

Hessels en zijn team van wetenschappers besteedden acht jaar aan het oplossen van de proton-radius-puzzel en het begrijpen waarom de protonstraal een andere waarde aannam wanneer gemeten met muonen, in plaats van elektronen.

Het team van de Universiteit van York bestudeerde atomaire waterstof om de afwijkende waarde van muonische waterstof te begrijpen. Ze voerden een zeer nauwkeurige meting uit met behulp van de frequentie-offset gescheiden oscillerende velden (FOSOF) techniek, die ze voor deze meting hebben ontwikkeld. Deze techniek is een wijziging van de techniek met gescheiden oscillerende velden die al bijna 70 jaar bestaat en Norman F. Ramsey een Nobelprijs heeft opgeleverd. Hun meting maakte gebruik van een snelle straal waterstofatomen die werden gecreëerd door protonen door een moleculair waterstofgasdoel te leiden. Met de methode konden ze een op elektronen gebaseerde meting van de protonstraal maken die direct analoog is aan de op muonen gebaseerde meting uit de studie van 2010. Hun resultaat komt overeen met de kleinere waarde die in de studie van 2010 werd gevonden.