Onderzoekers van de ALPHA Collaboration hebben met extreem hoge precisie een basiseigenschap van het proton gemeten. Dit maakt het mogelijk om de validiteit van de kwantumelektrodynamica – de hoeksteen van ons begrip van de elektromagnetische interactie – met ongekende nauwkeurigheid te testen. Het onderzoek is gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Nauwkeurige metingen bieden nieuw inzicht in de fysica van het proton

ALPHA Collaboration-onderzoekers van CERN meten de elektrische en magnetische structuur van het proton.

Het proton, een van de fundamentele bouwstenen van materie, bestaat uit nog fundamentelere deeltjes die quarks en gluonen worden genoemd. De structuur en dynamiek van het proton zijn complex en nog steeds niet volledig begrepen. Een nauwkeurige kennis van deze eigenschappen is echter onmisbaar om een ​​verscheidenheid aan processen te begrijpen, zoals kernfusie, een veelbelovende kandidaat om onze energievoorziening in de toekomst veilig te stellen, of de eigenschappen van neutronensterren.

De elektrische en magnetische eigenschappen van het proton behoren tot de meest fundamentele kenmerken. De elektrische lading en het magnetische moment, die de sterkte van het proton als magneet beschrijven, kunnen nauwkeurig worden gemeten in speciale experimenten. Afwijkingen van de nauwkeurig voorspelde waarden voor de grootte en magnetische sterkte van het proton, zoals gegeven door het fundamentele Standaardmodel van de deeltjesfysica, zouden een teken zijn van nieuwe fysica die verder gaat dan het Standaardmodel. Deze tot nu toe onontdekte verschijnselen zullen naar verwachting plaatsvinden op de extreem hoge energie- en lengteschalen die kenmerkend waren voor het vroege heelal, microseconden na de oerknal. Ze vormen belangrijke streefgrootheden voor het onderzoeksprogramma van de afdeling Hoge-Energiefysica van DESY, omdat ze de sleutel vormen tot het begrijpen van hoe ons universum werd gevormd.

Een team van onderzoekers onder leiding van leden van het Max Planck Instituut voor Kernfysica (MPIK) en de Universiteit van Mainz, beide gevestigd in Duitsland, in samenwerking met collega's van andere instituten, maakte gebruik van de unieke eigenschappen van antiwaterstofatomen om de protonen te meten. magnetisch moment met ongekende nauwkeurigheid. Antiwaterstof bestaat uit een antiproton en een anti-elektron (een positron genoemd). Beide tegenhangers hebben dezelfde massa maar een tegengestelde elektrische lading als hun gewone tegenhangers. Als gevolg hiervan maken metingen uitgevoerd met antiwaterstof het mogelijk protoneigenschappen te isoleren en nauwkeurig te bepalen die moeilijk of onmogelijk direct in waterstof te meten zijn.

De onderzoekers creëerden antiwaterstof in het ALPHA-2-apparaat van de Antiproton Decelerator van CERN. Het magnetische moment van het proton werd gemeten door antiprotonen door een magnetisch veld te leiden en te observeren hoe hun spins omdraaien wanneer het magnetische veld wordt omgekeerd. Het experiment was een uitdaging, omdat er voor slechts één enkele meting meer dan 10 miljoen antiprotonen nodig waren, een enorm aantal gezien het feit dat de productie van een enkel antiproton doorgaans geavanceerde meerstapsprocessen omvat die meerdere dagen duren. Om deze hindernis te overwinnen, gebruikten de onderzoekers een ingenieuze ‘antiwaterstof-botteltechniek’. Ze bewaarden antiprotonen gedurende enkele weken in een ultrahoogvacuümomgeving, waardoor de verzamelde antiprotonen ondanks de extreem lage productiesnelheden voor meerdere metingen konden worden gebruikt.

De combinatie van het nieuwe ALPHA-2-resultaat en eerdere metingen uitgevoerd bij het Paul Scherrer Instituut (Villigen, Zwitserland) levert de meest nauwkeurige waarde op voor het magnetische moment van het proton tot nu toe en biedt een strenge test van de kwantumelektrodynamica. Het resultaat vertegenwoordigt een substantiële vooruitgang op weg naar het uiteindelijke doel van de ALPHA-samenwerking:een nauwkeurige vergelijking tussen de eigenschappen van waterstof en anti-waterstof, die zal zoeken naar hints van nieuwe fundamentele interacties en symmetrieën.