Hoe meet je de breedte van een proton?

Een liniaal helpt niet en een microscoop ook niet. In plaats daarvan, het omvat het breken van elektronen in protonen met bijna de lichtsnelheid, dan meten hoe ver de elektronen reizen wanneer ze terugkaatsen, of verstrooien, van de protonen.

Deze methode wordt elektronenverstrooiing genoemd, en voor het eerst werd een nieuwe versie gebruikt in het Jefferson Laboratory, levert een van de meest nauwkeurige metingen ooit voor de ladingsstraal van een proton.

Natuurkundigen die hun leven besteden aan het verkennen van het subatomaire universum, zeggen dat deze resultaten de wetenschap dichter bij het oplossen van de "protonradiuspuzzel" brengen - of verklaren waarom verschillende experimentele methoden in de loop der jaren tot twee verschillende metingen zijn gekomen.

Voor een lange tijd, de protonstraal werd gemeten bij 0,88 femtometers (fm). Toen kwam in 2010 een ander soort experiment met 0,84 fm, of ongeveer 4% kleiner.

Waarom zou een verschil van 4% op een oneindig kleine schaal ertoe doen?

Voor een, zei Ashot Gasparian, een professor aan de North Carolina A&T State University en leider van het experimentteam, het proton, die in het hart van het atoom zit, ligt op het snijpunt van drie grote takken van de natuurkunde:atomaire, nucleair en deeltjes. Dus zelfs een klein verschil is een groot probleem - sommige natuurkundigen speculeerden zelfs dat de resultaten van 2010 een vijfde natuurkracht zouden kunnen signaleren.

En, voor een ander, nauwkeurigere metingen van subatomaire deeltjes helpen het standaardmodel van deeltjesfysica aan te scherpen, een sjabloon dat helpt uit te leggen hoe het universum werkt.

Dus in 2012 werkten Gasparian en zijn team aan een nieuw type elektronenverstrooiingsexperiment - de eerste nieuwe methode in een halve eeuw - om de protonstraal te meten. Het PRad-experiment genoemd, het kreeg hoge prioriteit bij Jefferson Lab en zijn krachtige CEBAF-versneller.

"Mensen waren op zoek naar antwoorden, zei Gasparian. "Maar om nog een elektron-protonverstrooiingsexperiment te maken, veel sceptici geloofden niet dat we iets nieuws konden doen."

Nog altijd, het team kwam met drie tools en methoden.

De eerste was de implementatie van een nieuw type raamloos doelsysteem waarmee verstrooide elektronen vrijwel naadloos in de detectoren konden bewegen.

De tweede was het gebruik van een calorimeter in plaats van een traditionele magnetische spectrometer om de energieën en posities van de verstrooide elektronen te detecteren en te meten, terwijl een nieuw gebouwde gaselektronenvermenigvuldiger ook de posities van de elektronen met steeds grotere nauwkeurigheid detecteerde.

En de derde was het plaatsen van deze detectoren extreem dichtbij in hoekafstand van waar de elektronenstraal het waterstofdoel trof.

"Bij elektronenverstrooiing, om de straal te extraheren, we moeten naar een zo klein mogelijke verstrooiingshoek gaan, " zei Dipangkar Dutta, teamlid en professor aan de Mississippi State University. "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."

De meting die het team bedacht was 0,831 fm, in wezen de meting van 2010 bevestigen. Hun resultaten verpletterden de hoop van natuurkundigen die hadden gedroomd van een vijfde kracht.

"Het PRad-experiment lijkt de deur voor die mogelijkheid te sluiten, "zei Dutta. "Dit moet nog worden bevestigd met soortgelijke experimenten, maar daar lijkt het nu wel op."

Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuur . Het team werkt al aan meer experimenten bij Jefferson Lab om de onzekerheid in de protonstraal nog verder te verminderen, zei Gasparianus. In de tussentijd, een paar andere kernfysische faciliteiten over de hele wereld doen hetzelfde.

"Als de precisie verder wordt verbeterd, " zei Gasparian, "het zou kunnen aantonen dat er een klein verschil is, en dat zal heel belangrijk zijn voor het ontdekken van nieuwe fysica. Ook, dezelfde techniek kan niet alleen worden toegepast voor het meten van de protongrootte, maar ook voor andere soorten metingen waarbij we verder zouden kunnen kijken dan de fysica van het standaardmodel."

Waar zouden dergelijke inspanningen op een dag in de echte wereld toe kunnen leiden?

"Dat is heel moeilijk te voorspellen, "zei Dutta. "Omdat wanneer je aan basiswetenschap doet, niemand weet wat de uiteindelijke toepassing zal zijn."

Maar er zijn belangrijke precedenten, hij zei. MRI's, of magnetische resonantiebeeldvormingsscanners, kwam van iemand die de spin van het proton in de moleculaire structuur probeerde te meten. Silicium transistoren, die een revolutie teweegbracht in de elektronica, voortgekomen uit iemand die aan stukjes silicium sleutelde om erachter te komen hoe ze zich gedragen. En protontherapieën om kanker te behandelen kwamen van iemand die probeerde te meten hoe het proton zijn energie deponeert terwijl het door materialen gaat.

©2019 Daily Press (Newport News, va.)
Gedistribueerd door Tribune Content Agency, LLC.