Protón je ľahší, ako sa očakávalo - hmotnosť je o tri štandardné odchýlky nižšia ako v predchádzajúcom prípade
Hmotnosť je o tri štandardné odchýlky nižšia ako podľa predchádzajúcich meraní
Elementárne častice na váhe: protón je výrazne ľahší, ako sa doteraz myslelo. Dokazuje to doposiaľ najpresnejšie meranie hmotnosti protónov. Tento rozdiel sa prejaví až na deviatom desatinnom mieste, stále však zodpovedá trom štandardným odchýlkam, ako uvádzajú vedci. Vzhľadom na zásadný význam protónovej hmoty pre fyziku je to úplne zásadné.
Protón je jedným zo základných stavebných kameňov hmoty, spolu s neutrónom tvorí atómové jadrá všetkých prvkov. Vlastnosti protónu sú zodpovedajúcim spôsobom dôležité pre dôležité základné princípy fyziky. Jeho hmotnosť a polomer určujú, ako elektróny krúžia okolo jadra. To vytvára základ pre Rydbergovu konštantu, prirodzenú konštantu, ktorá okrem iného dodáva prvkom charakteristické spektrálne čiary. Hmotnostný rozdiel medzi protónom a neutrónom hrá tiež rozhodujúcu úlohu v stabilite atómového jadra.
Protónová hmota je tiež dôležitá ako komparatívna hodnota pri výskume antihmoty. Teoreticky by sa zlom v symetrii, ktorý vysvetľuje, prečo hmota získala vo vesmíre prevahu, mohol skrývať v nepatrných hromadných rozdieloch medzi protónmi a antiprotónmi. Je preto dôležité čo najpresnejšie poznať hmotnosť protónu.
Protóny v lapači častíc
Ako sa však teraz ukazuje, táto dôležitá hodnota mohla byť preceňovaná. Fyzici pod vedením Svena Sturma z Ústavu jadrovej fyziky Maxa Plancka v Heidelbergu vo svojom experimente určovali hmotnosť protónu presnejšie ako kedykoľvek predtým. To bolo možné pomocou Penningovej pasce - nádoby, v ktorej sú častice zadržiavané v suspenzii pomocou elektrických a magnetických polí.
Meniace sa polia spôsobujú, že častice kmitajú do strán, keď sa pohybujú v rotujúcej špirálovej dráhe cez pascu. Vrchol: rýchlosť, ktorou sa protón otáča, je priamo úmerná jeho pomeru hmotnosti k náboju. Vedci zdokonalili technológiu merania pre svoje meranie. Porovnávali pohyb protónov s pohybom iónu izotopu uhlíka 12C (12C 6+) a dokázali tak obzvlášť presne určiť protónovú hmotu.
„Najskôr sme uložili jeden protón a jeden uhlíkový ión (12C6 +) každý do samostatných komôr nášho lapovacieho prístroja Penning, potom sme jeden z dvoch iónov striedavo nasmerovali do centrálneho meracieho oddelenia a zmerali sme v ňom ich pohyb,“ vysvetľuje Sturm.
Ľahší ako predchádzajúci odkaz
Výsledok: Hmotnosť protónu nameraná vedcami je 1,007276466583 atómových hmotnostných jednotiek (u). Je to podstatne jednoduchšie ako hodnota 1,007276466879 u, ktorá sa predtým používala ako referencia - aj keď sa tento rozdiel prejaví až od deviateho miesta za desatinnou čiarkou. Rozdiel zodpovedá trom štandardným odchýlkam, ako vysvetľujú vedci.
To znamená, že protón je o niečo ľahší, ako sa doteraz myslelo. Ako vysvetľujú vedci, posúva sa tým tiež pomer hmotnosti protónov k elektrónom a pomer protónov k neutrónom, čo je dôležité pre atómové správanie - ale iba o jednu štandardnú odchýlku pre druhé.
Trikrát presnejšie ako predchádzajúce merania
Aby sme si boli úplne istí, že nesystematické chyby merania viedli k nižšej hodnote, vedci ich hodnoty niekoľkokrát skontrolovali porovnaním s inými iónmi. Ale zakaždým prišli na rovnakú nižšiu protónovú hmotu. „Nepodarilo sa nám objaviť žiadne systematické účinky, ktoré sú dôsledkom našej metódy,“ uviedol Sturm a jeho kolegovia.
Okrem toho je nová nameraná hodnota presná na 32 biliónov dotácií - a teda trikrát presnejšia ako všetky predchádzajúce merania, ako informujú fyzici. Ste si teda relatívne istí, že jeho hodnota je bližšie k skutočnej hmotnosti protónu ako referenčná. (Physical Review Letters, 2017; doi: 10.1103/PhysRevLett.119.033001)
(Max Planck Institute for Nuclear Physics, 21. júla 2017 - NPO)