Confronto del risultato attuale con i valori precedenti per la massa atomica del protone. Attestazione:RIKEN
Qual è la massa di un protone? Scienziati tedeschi e giapponesi hanno compiuto un passo importante verso una migliore comprensione di questa costante fondamentale. Mediante misure di precisione su un singolo protone, sono stati in grado di migliorare la precisione di un fattore tre e anche di correggere il valore esistente.
Per determinare la massa di un singolo protone in modo più accurato, il gruppo di fisici del Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg e RIKEN in Giappone ha eseguito un'importante misurazione ad alta precisione in un sistema di trappola Penning molto avanzato, progettato da Sven Sturm e Klaus Blaum di MPI-K, utilizzando rilevatori di particelle singole ultrasensibili che sono stati in parte sviluppati dall'Ulmer Fundamental Symmetries Laboratory di RIKEN.
Il protone è il nucleo dell'atomo di idrogeno e uno dei mattoni di base di tutti gli altri nuclei atomici. Perciò, la massa del protone è un parametro importante nella fisica atomica:è uno dei fattori che influenzano il modo in cui gli elettroni si muovono attorno al nucleo atomico. Ciò si riflette negli spettri, cioè., i colori chiari (lunghezze d'onda) che gli atomi possono assorbire ed emettere nuovamente. Confrontando queste lunghezze d'onda con le previsioni teoriche, è possibile testare le teorie fisiche fondamentali. Ulteriore, confronti precisi delle masse del protone e dell'antiprotone possono aiutare nella ricerca della differenza cruciale – oltre al segno inverso della carica – tra materia e antimateria.
Le trappole Penning sono ben collaudate come "scale" adatte per gli ioni. In una tale trappola, è possibile confinare, quasi indefinitamente, particelle con carica singola come un protone, Per esempio, per mezzo di campi elettrici e magnetici. Dentro la trappola, la particella intrappolata compie un caratteristico movimento periodico ad una certa frequenza di oscillazione. Questa frequenza può essere misurata e la massa della particella calcolata da essa. Per raggiungere l'elevata precisione mirata, era necessaria una tecnica di misurazione elaborata.
L'isotopo del carbonio 12 C con una massa di 12 unità di massa atomica è definito come lo standard di massa per gli atomi. "L'abbiamo usato direttamente per il confronto, " dice Sven Sturm. "In primo luogo abbiamo immagazzinato ciascuno un protone e uno ione carbonio ( 12 C 6+ ) in scomparti separati del nostro apparato trappola Penning, quindi ha trasportato ciascuno dei due ioni nel compartimento di misurazione centrale e ne ha misurato il movimento." Dal rapporto dei due valori misurati il gruppo ha ottenuto la massa del protone direttamente in unità atomiche. Il compartimento di misurazione era dotato di un'elettronica appositamente sviluppata. Andreas Mooser del Fundamental Symmetries Laboratory di RIKEN spiega la sua funzione:"Ci ha permesso di misurare il protone in condizioni identiche allo ione carbonio nonostante la sua massa circa 12 volte inferiore e la carica 6 volte più piccola".
La massa risultante del protone, determinato in 1.007276466583(15)(29) unità di massa atomica, è tre volte più preciso del valore attualmente accettato. I numeri tra parentesi si riferiscono alle incertezze statistiche e sistematiche, rispettivamente.
intrigante, il nuovo valore è significativamente inferiore all'attuale valore standard. Le misurazioni di altri autori hanno prodotto discrepanze rispetto alla massa dell'atomo di trizio, l'isotopo dell'idrogeno più pesante (T = 3 H), e la massa di elio leggero ( 3 He) rispetto alla molecola di idrogeno "semipesante" HD (D = 2 H, deuterio, idrogeno pesante). "Il nostro risultato contribuisce a risolvere questo puzzle, poiché corregge la massa del protone nella giusta direzione, "dice Klaus Blaum.
Florian Köhler-Langes di MPIK spiega come i ricercatori intendono migliorare ulteriormente la precisione della loro misurazione:"In futuro, immagazzineremo un terzo ione nella nostra torre trappola. Misurando simultaneamente il movimento di questo ione di riferimento, saremo in grado di eliminare l'incertezza originata dalle fluttuazioni del campo magnetico." Il lavoro è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica .
