Met behulp van de eerste nieuwe methode in een halve eeuw voor het meten van de grootte van het proton via elektronenverstrooiing, de PRad-samenwerking heeft een nieuwe waarde opgeleverd voor de straal van het proton in een experiment dat is uitgevoerd in de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Department of Energy.

Het resultaat, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , is een van de meest nauwkeurige metingen van elektronenverstrooiingsexperimenten. De nieuwe waarde voor de verkregen protonstraal is 0,831 fm, die kleiner is dan de vorige elektronenverstrooiingswaarde van 0,88 fm en in overeenstemming is met recente resultaten van muonische atomaire spectroscopie.

"We zijn blij dat het jarenlange harde werk van onze samenwerking tot een einde komt met een goed resultaat dat kritisch zal helpen bij het oplossen van de zogenaamde protonradiuspuzzel, " zegt Ashot Gasparian, een professor aan de North Carolina A&T State University en de woordvoerder van het experiment.

Alle zichtbare materie in het universum is gebouwd op een wolk van drie quarks die aan elkaar zijn gebonden met sterke krachtenergie. Het alomtegenwoordige proton, die in het hart van elk atoom zit, is het onderwerp geweest van talrijke studies en experimenten om de geheimen ervan te onthullen. Nog, een onverwacht resultaat van een experiment om de grootte van deze wolk te meten, in termen van de wortel-gemiddelde-vierkante ladingsstraal, heeft atoom- en kernfysici in een vlaag van activiteit verenigd om deze basishoeveelheid van het proton opnieuw te onderzoeken.

vóór 2010, de meest nauwkeurige metingen van de straal van het proton kwamen van twee verschillende experimentele methoden. In elektronenverstrooiingsexperimenten, elektronen worden op de protonen geschoten, en de ladingsstraal van het proton wordt bepaald door de verandering in het pad van de elektronen nadat ze zijn teruggekaatst, of verstrooien van, het proton. Bij atomaire spectroscopie metingen, de overgangen tussen energieniveaus door elektronen worden waargenomen (in de vorm van fotonen die door de elektronen worden afgegeven) terwijl ze om een ​​kleine kern draaien. Kernen die typisch zijn waargenomen, omvatten waterstof (met één proton) of deuterium (met een proton en een neutron). Deze twee verschillende methoden leverden een straal van ongeveer 0,88 femtometers op.

In 2010, atoomfysici maakten de resultaten bekend van een nieuwe methode. Ze maten de overgang tussen energieniveaus van elektronen in een baan rond in het laboratorium gemaakte waterstofatomen die een ronddraaiend elektron vervingen door een muon, die veel dichter bij het proton draait en gevoeliger is voor de ladingsstraal van het proton. Dit resultaat leverde een waarde op die 4% kleiner was dan voorheen, bij ongeveer 0,84 femtometers.

In 2012, een samenwerking van wetenschappers onder leiding van Gasparian kwam samen in Jefferson Lab om elektronenverstrooiingsmethoden te vernieuwen in de hoop een nieuwe en nauwkeurigere meting van de ladingsstraal van het proton te produceren. Het PRad-experiment kreeg prioriteitsplanning als een van de eerste experimenten om gegevens te verzamelen en de uitvoering ervan te voltooien na een upgrade van de Continuous Electron Beam Accelerator Facility, een DOE User Facility voor kernfysisch onderzoek. Het experiment nam elektronenverstrooiingsgegevens in Experimental Hall B van Jefferson Lab in 2016.

"Toen we met dit experiment begonnen, mensen waren op zoek naar antwoorden. Maar om nog een elektron-protonverstrooiingsexperiment te maken, veel sceptici geloofden niet dat we iets nieuws konden doen, " zegt Gasparian. "Als je met iets nieuws wilt komen, je moet wat nieuwe tools bedenken, een of andere nieuwe methode. En dat hebben we gedaan - we hebben een experiment gedaan dat totaal verschilt van andere elektronenverstrooiingsexperimenten."

De samenwerking introduceerde drie nieuwe technieken om de nauwkeurigheid van de nieuwe meting te verbeteren. De eerste was de implementatie van een nieuw type raamloos doelsysteem, die werd gefinancierd door een National Science Foundation Major Research Instrumentation-beurs en grotendeels werd ontwikkeld, vervaardigd en beheerd door de doelgroep van Jefferson Lab.

Het raamloze doelwit stroomde gekoeld waterstofgas rechtstreeks in de stroom van de 1,1 en 2,2 GeV versnelde elektronen van CEBAF en liet verstrooide elektronen bijna ongehinderd in de detectoren bewegen.

"Als we zeggen zonder ramen, we zeggen dat de buis open staat voor het vacuüm van het gaspedaal. Dat lijkt op een venster, maar in elektronenverstrooiing, een raam is een metalen afdekking aan het uiteinde van de buis, en die zijn verwijderd, " zegt Dipangkar Dutta, een experiment mede-woordvoerder en een professor aan de Mississippi State University.

"Dus dit is de eerste keer dat mensen daadwerkelijk een gasstroomdoel op de bundellijn van Jefferson Lab plaatsen, " zegt Haiyan Gao, een experiment mede-woordvoerder en Henry Newson professor aan de Duke University. "Het vacuüm was goed, zodat we een elektronenstraal door ons doelwit konden laten gaan om het experiment te doen, en we hebben eigenlijk een gat in de ingangsfolie en een ander in de uitgangsfolie. Eigenlijk, de straal ging net rechtstreeks door naar het waterstofgas, geen raam te zien."

Het volgende grote verschil was het gebruik van een calorimeter in plaats van de traditioneel gebruikte magnetische spectrometer om verstrooide elektronen te detecteren die het gevolg zijn van de inkomende elektronen die de protonen of elektronen van de waterstof raken. De hergebruikte hybride calorimeter HyCal mat de energieën en posities van de verstrooide elektronen, terwijl een nieuw gebouwde gaselektronenvermenigvuldiger, de GEM-detector, detecteerde ook de posities van de elektronen met nog grotere nauwkeurigheid.

De gegevens van beide detectoren werden vervolgens in realtime vergeleken, waardoor de kernfysici elke gebeurtenis konden classificeren als een elektron-elektronverstrooiing of een elektron-protonverstrooiing. Deze nieuwe methode voor het classificeren van de gebeurtenissen stelde de kernfysici in staat hun elektron-protonverstrooiingsgegevens te normaliseren naar elektron-elektronverstrooiingsgegevens, het verminderen van experimentele onzekerheden en het vergroten van de precisie.

De laatste grote verbetering was de plaatsing van deze detectoren, extreem dichtbij in hoekafstand van waar de elektronenstraal het waterstofdoel trof. De samenwerking heeft die afstand weten terug te brengen tot minder dan één graad.

"Bij elektronenverstrooiing, om de straal te extraheren, we moeten naar een zo klein mogelijke verstrooiingshoek gaan, " zegt Dutta. "Om de protonstraal te krijgen, je moet extrapoleren naar een hoek van nul, die u niet kunt openen in een experiment. Dus, hoe dichter bij nul je kunt komen, des te beter."

"Het gebied dat we hebben verkend, bevindt zich onder zo'n voorwaartse hoek en met zo'n kleine vier-impulsoverdracht in het kwadraat dat het nog nooit eerder is bereikt in elektron-protonverstrooiing, " voegt Mahbub Khandaker toe, een experiment mede-woordvoerder en een professor aan de Idaho State University.

De medewerkers zeggen dat het resultaat uniek is, omdat het een nieuwe techniek via elektronenverstrooiing gebruikte om de protonladingsstraal te bepalen. Nutsvoorzieningen, ze kijken ernaar uit om het resultaat te vergelijken met nieuwe spectroscopische bepalingen van de protonstraal en toekomstige elektronen- en muonverstrooiingsmetingen die wereldwijd worden uitgevoerd.

Verder, dit resultaat werpt ook nieuw licht op het vermoeden van een nieuwe natuurkracht die werd voorgesteld toen de protonenstraalpuzzel voor het eerst opdook.

"Toen de eerste protonenstraalpuzzel in 2010 uitkwam, er was hoop in de gemeenschap dat we misschien een vijfde natuurkracht hebben gevonden, dat deze kracht anders werkt tussen elektronen en muonen, "zegt Dutta. "Maar het PRad-experiment lijkt de deur voor die mogelijkheid te sluiten."

Ze zeggen dat de volgende stap is om te overwegen verder onderzoek uit te voeren met behulp van deze nieuwe experimentele methode om nog nauwkeurigere metingen over dit en aanverwante onderwerpen te bereiken, zoals de straal van het deuteron, de kern van deuterium.

"Er is een zeer goede kans dat we onze metingen met een factor twee of misschien zelfs meer kunnen verbeteren, "zegt Gao.