Протон суттєво легший, ніж дотепер припускали. Це засвідчує донині найточніше вимірювання маси протона. Виявлена відмінність хоча й проявляється лише на дев’ятому знаку після коми, та відповідає трьом стандартним відхиленням, інформують учені з Інституту ядерної фізики імені Макса Планка. З огляду на фундаментальне значення маси протона, відкриття для фізики – дуже важливе.
Апаратура пастки Пеннінга, яку задіяли при визначенні маси протона. Зображення: MPI für Kernphysik.
Протон є одним з базових елементів матерії, разом з нейтроном від утворює атомне ядро елемента. Відповідно, властивості протона є важливими для базових фізичних принципів. Так, маса та радіус визначають, як електрон обертається навколо ядра. А це становить основу для сталої Рідберґа – фізичної константи, що, зокрема, наділяє елементи спектральними лініями.
Масова відмінність між протоном і нейтроном відіграє визначальну роль у збереженні стабільності атомного ядра. Також протонна маса важлива як порівняльна величина у дослідженнях антиматерії. Адже у крихітних відмінностях маси між протоном та антипротоном теоретично можуть приховуватися викривлення симетрії, що пояснило б, чому матерія в космосі домінує. Отже, важливо визначати масу протона максимально точно.
Проте з'ясувалося, що цей базовий показник учені схильні переоцінювати. В своєму експерименті фізики на чолі зі Свеном Штурмом (Sven Sturm) з Інституту ядерної фізики імені Макса Планка в Гайдельбергу визначили масу протона так точно, як ніколи раніше. Це стало можливим завдяки пастці Пеннінга – контейнера, в якому зависають частинки під дією електричного та магнітного полів. У пастці вони кружляють по спіралі. Суть у тому, що темп, з яким обертаються протони, прямо пропорційний до його питомого електричного заряду.
Для своїх вимірювань учені покращили техніки вимірювання. Вони порівняли рух протонів з іоном вуглецевого ізотопу 12C (12C6+), завдяки чому змогли особливо точно визначити масу протонів.
«Спочатку ми зібрали протон та іон вуглецю (12C6+) в окремих відділах апаратури, необхідної для пастки Пеннінга, потім позмінно направляли іони до вимірювальної ділянки, розташованої посередині, і вимірювали швидкість їхнього руху», – пояснив Штурм.
Зображення: MPI für Kernphysik.
Результат: виміряна вченими маса протона дорівнює 1,007276466583 атомних одиниць маси (а.о.м.). Це суттєво менше, ніж величина, яку дотепер використовували як референтну, – 1,007276466879 а.о.м. (хай навіть відмінність помітна лише на десятому знаку після коми, це суттєве відхилення, пояснюють учені).
Тобто протон трішки легший, ніж дотепер припускали. Науковці пояснюють: так зміщуються важливі для поведінки атома співвідношення: між протоном й електроном, а також – протоном і нейтроном, хоча в останньому випадку наявне лише одне стандартне відхилення.
Аби цілком упевнитися, що до занижених показників не призвели систематичні помилки при вимірюванні, науковці перевірили свої показники кілька разів (зокрема і порівнюючи поведінку різних іонів). Проте щоразу вони наштовхувалися на ту ж нижчу масу протона. «Ми не можемо виявити жодної систематичної помилки в основі нашого підходу», – каже Штурм з колегами.
Так, новий показник до 32 мільярдних частинок точніший, ніж попередній, тобто втричі точніший, ніж результати всіх сучасних вимірювань, повідомляють фізики. Вони впевнені: виведений показник ближчий до опису справжньої маси протона, ніж референтна величина.
Proton ist leichter als gedacht
Max-Planck-Institut für Kernphysik, 21/07/2017
Зреферувала Соломія Кривенко
22.07.2017