Πόση είναι η ακτίνα του πρωτονίου;

Posted on 06/09/2019

0


Ερευνητές του πανεπιστημίου York πραγματοποίησαν μια νέα μέτρηση της ακτίνας του πρωτονίου καταλήγοντας στην τιμή: rp = 0.833 ±0.010 fm (1 fm=10–15m)

Tο πρωτόνιο δεν είναι στοιχειώδες σωματίδιο, όπως π.χ. το ηλεκτρόνιο. Αυτό σημαίνει πως έχει διαστάσεις, κι αν θεωρήσουμε ότι έχει σφαιρικό σχήμα, τότε θα διαθέτει κάποια ακτίνα. Όταν μιλάμε για την ακτίνα του πρωτονίου, εννοούμε την ακτίνα της κατανομής του ηλεκτρικού φορτίου του.

Δυο κλασικές μέθοδοι προσδιορισμού της ακτίνας του πρωτονίου είναι είτε με φασματοσκοπία ατόμων υδρογόνου ή δευτερίου είτε διαμέσου της ελαστικής σκέδασης ηλεκτρονίου – πρωτονίου. Το 2010 εφαρμόστηκε μια νέα μέθοδος μέτρησης της ακτίνας του πρωτονίου. Δημιούργησαν μιονικά άτομα υδρογόνου, άτομα υδρογόνου στα οποία τα ηλεκτρόνια αντικαταστάθηκαν από μιόνια. Τα μιόνια είναι ασταθή σωματίδια με χρόνο ημιζωής 2,2 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, έχουν  το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο με το ηλεκτρόνιο, και η μάζα τους είναι 207 φορές μεγαλύτερη από αυτή του ηλεκτρονίου. Η ακτίνα της κατανομής φορτίου του πρωτονίου μετρήθηκε από την μετατόπιση Lamb στο άτομο του μιονικού υδρογόνου. Η μέθοδος αυτή έδειξε ότι η ακτίνα του πρωτονίου μικρότερη σε σχέση με τις αντίστοιχες μετρήσεις σε κανονικά άτομα υδρογόνου. Έκτοτε, δυο νέες μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν το 2017 και 2018 ήταν αντιφατικές μεταξύ τους.

Τίθεται το ερώτημα γιατί προκύπτει διαφορετική τιμή για την ακτίνα του πρωτονίου όταν αυτή μετράται με την μιονική μέθοδο σε σχέση με αυτή που προκύπτει όταν χρησιμοποιούνται ηλεκτρόνια. Θα μπορούσε να πει κανείς ότι η αλληλεπίδραση των ηλεκτρονίων με τα πρωτόνια διαφέρει με αυτή των μιονίων, κι αν ισχύει κάτι τέτοιο θα χρειαζόταν «νέα φυσική» για να εξηγήσει το φαινόμενο. Οι ερευνητές N. Bezginov, T. Valdez, M. Horbatsch, A. Marsman, A. C. Vutha και E. A. Hessels, «ξόδεψαν» οκτώ χρόνια μελετώντας αυτό το παζλ της ακτίνας των πρωτονίων.

Πραγματοποίησαν μέτρηση της ακτίνας πρωτονίων βασισμένη σε ηλεκτρόνια, εντελώς ανάλογη με τη μέτρηση που βασίζεται στα μιόνια στο πείραμα του 2010. Και τα δύο αποτελέσματα συμφωνούν μεταξύ τους στα όρια των σφαλμάτων. Όμως, η τιμή της νέας μέτρησης είναι περίπου 5% μικρότερη από την πριν το 2010 αποδεκτή τιμή.

Η νέα ακριβής μέτρηση των Bezginov et al είναι: rp = 0.833 ±0.010 femtometers (1femtometer =10–15m).

Το συμπέρασμα είναι πως όταν υπολογίζεται η ακτίνα του πρωτονίου βάσει της μετατόπισης Lamb, η μετρούμενη τιμή δεν αποκλίνει πολύ, είτε τα άτομα που χρησιμοποιούνται είναι κανονικά άτομα υδρογόνου είτε είναι μιονικά άτομα. Συνεπώς οι αλληλεπιδράσεις των λεπτονίων – είτε αυτά είναι ηλεκτρόνια είτε μιόνια – με πρωτόνια, δεν διαφέρουν μεταξύ τους, έτσι ώστε να υποδεικνύουν «νέα φυσική».

πηγή: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-09/yu-smp090319.phphttps://science.sciencemag.org/content/365/6457/1007

Ετικέτα: