Prchavé hélium pridáva limit ságe v tvare protónu

Fyzici, ktorí venujú svoj život štúdiu predmetu, sa im fyzika príliš nepáči, pretože vždy dúfajú, že je porušená. Musíme im však odpustiť; Zistenie, že najmenšie použitie teórie nie je možné, je, že experimentálne výsledky naznačujú, že pravdepodobne potrebujeme novú teóriu, ktorá by nadchla každého fyzika.

V posledných rokoch je jednou z najrozbitejších vecí jednoduché meranie: polomer náboja protónu, ktorý je mierou jeho fyzickej veľkosti. Odpovede nám priniesli merania vykonané s atómami vodíka, v ktorých jediný elektrón obieha okolo protónu. Meranie, pri ktorom bol elektrón nahradený ťažkou časticou nazývanou mión, nám dalo inú odpoveď – a tieto dva výsledky boli nekonzistentné. Bolo vyvinuté veľké úsilie na nápravu tohto rozporu a Je znížená, Ale nezmizlo to.

Toto sú teistické sliny. V štandardnom modeli nie je priestor na taký rozdiel medzi elektrónmi a miónmi, môže to teda znamenať, že štandardný model je nesprávny? Tím za niektorými z predchádzajúcich meraní je teraz späť s novým, monitoruje správanie miónu obiehajúceho okolo jadra hélia. Výsledky sú v súlade s ostatnými meraniami polomeru náboja hélia, čo naznačuje, že na miónoch nie je nič smiešneho. Preto si štandardný model môže vydýchnuť.

Meranie miónov?

Zahrnuté meranie je, mierne povedané, príliš šialené. Mesiace sú v podstate ťažšou verziou elektrónov, takže substitúcia za jeden atóm za druhý je relatívne jednoduchá. A pre takéto merania ponúka hmota miónu niektoré výhody. Hmota zaisťuje, že orbity miónu sú také kompaktné, že sa jeho vlnová funkcia prekrýva s vlnovou funkciou jadra. Výsledkom je, že správanie miónu je pri obiehaní okolo jadra veľmi citlivé na polomer náboja jadra.

To všetko by bolo skvelé, nebyť skutočnosti, že mióny sú nestabilné a zvyčajne sa rozpadajú do dvoch mikrosekúnd. Obežná dráha okolo jadra hélia zvyšuje zložitosť, pretože hélium má na obežnej dráhe zvyčajne dva elektróny a môžu medzi sebou interagovať. Očakávaná trojcestná interakcia jadra – miónu – elektrónu je v súčasnosti nad naše možnosti výpočtu, čo znamená, že by sme nemali tušenie, keby sa skutočné správanie líšilo od teórie.

Vedci teda tento problém vyriešili vytvorením kladne nabitého iónu zloženého z jadra hélia a jedinej obežnej dráhy miónu. Jedným z nich – alebo presnejšie ich je stovky – je to miesto, kde začína šialenstvo.

Vedci mali prístup k lúču miónov produkovaných urýchľovačom častíc a rozhodli sa nasmerovať lúč na určitý plyn hélia. V tomto procese, keď mesiace vstupujú, majú príliš veľa energie na to, aby obiehali okolo jadra hélia, takže sa odrážajú okolo a pri každej kolízii strácajú energiu. Akonáhle sa mión dostatočne spomalí, môžu vstúpiť na vysokoenergetickú dráhu v atóme hélia a zraziť pri tom jeden zo svojich elektrónov. Ale druhý elektrón je stále okolo a kazí všetky možné merania.

Ale vďaka svojej hmotnosti má mión oveľa vyššiu hybnosť a prenos energie v rámci atómu je rýchlejší ako jej strata do životného prostredia. Pretože mión prenáša časť svojej energie na elektrón, malá hmotnosť elektrónu zaisťuje, že stačí na zavedenie elektrónu z atómu, a zostane nám muónový ión hélia. Našťastie sa to všetko deje dosť rýchlo na to, aby mióny nemali šancu sa rozpadnúť.

Nech sa začne šialenstvo

V tomto bode je mión zvyčajne v obežnej dráhe, ktorá má nízku energiu, ale má viac energie ako základný stav. Vedci v experimente nastavili spúšťače citlivé na prítomnosť miónov. Po oneskorení dvoch elektrónov, ktoré umožní zavedenie miónov, spúšťací mechanizmus spôsobí, že laser zasiahne vzorku správnym množstvom energie, čím posilní mión z orbitálu 2S na orbitál 2S. Odtiaľ sa rozpadne do základného stavu a uvoľní pri tom röntgen.

Mnoho miónov nebude na obežnej dráhe 2S a laser na ne nebude mať žiadny vplyv. Vedci boli ochotní obetovať viac muónskeho hélia, ktoré mali v správnom stave. Ich prítomnosť bola indikovaná identifikáciou röntgenových lúčov so správnou energiou. Aby sa ďalej zabezpečilo, že vidia to správne, vedci zobrali iba údaje spojené s vysokoenergetickým elektrónom, ktorý vznikol rozpadom miónu.

A pamätajte, že toto všetko sa odohralo v milisekundovom časovom období, ktoré prebehlo pomerne rýchlo.

Prvý krok spočíva v umiestnení lasera použitého pre správnu frekvenciu na zvýšenie miónu na obežnej dráhe 2P, pretože to je hodnota, ktorú musíme zmerať. To sa dosiahlo úpravou nastaviteľného lasera vo frekvenčnom rozsahu, kým hélium začalo produkovať röntgenové lúče. Po identifikácii frekvencie vedci zobrali údaje na 10 dní, čo stačilo na presné meranie frekvencie. Počas tejto doby vedci pozorovali 582 muónových iónov hélia.

Na základe výpočtov využívajúcich laserovú frekvenciu vedci zistili, že polomer náboja jadra hélia je 1,6782 femtometra. Merania vykonané odrazom elektrónov od jadra naznačujú, že je to 1,681. Tieto dve hodnoty sú v medziach experimentálnych chýb, takže sú v silnej zhode.

Je nám ľúto, že to nie je pokazené

Na najjednoduchšej úrovni skutočnosť, že merania miónov súhlasia s meraniami vykonanými nezávisle, naznačuje, že na miónoch nie je nič zvláštne. V dôsledku toho zostáva štandardný model, ktorý hovorí to isté, nedotknutý v oveľa menšej miere, ako tu umožňujú experimentálne chyby. (To však neznamená, že to nie je inak rozbité, určite.) Takže teoretici všade budú sklamaní.

Vedci porovnali ich hodnotu s hodnotami generovanými pred desiatkami rokov v urýchľovačoch častíc v CERN-e. Ukázalo sa, že táto hodnota je rovnaká, ale iba náhodou, pretože staršia práca mala dve chyby posunu. „Ich citovaný polomer náboja nie je ďaleko od našej hodnoty,“ poznamenali vedci, „ale dá sa to vysledovať až k zvláštnej zhode nesprávneho experimentu v kombinácii s neúplnou predikciou teórie 2P-2S, zhodou okolností to tak nie je – nesprávna hodnota . “ Takže v tomto prípade sú dve chyby takmer opravené.

V každom prípade sa táto práca zameria na opätovné získanie pozornosti výskumníkov, že samostatné experimenty s protónmi produkujú výsledky, ktoré nie celkom súhlasia, pretože nemôžeme viniť veci, keď sú čudné. Medzitým môžeme všetci oceniť, aké úžasné je, že to zvládneme s miónmi za malú zlomok sekundy, v ktorej existujú.

Príroda, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03183-1 ()O DOI) je.