Agrandir / Image des orbitales électroniques d’un atome d’hydrogène prises avec un microscope quantique en 2013. Les physiciens ont essayé de résoudre résultats expérimentaux contradictoires, utilisant des atomes d’hydrogène, rayon du proton pendant presque une décennie.APS / Alan Stonebraker
Les physiciens de l’Université York à Toronto ont passé la dernière huit ans menant méticuleusement une expérience sensible � mesurer le rayon de charge du proton dans l’espoir de résoudre le problème valeurs contradictoires obtenues par plusieurs expériences similaires réalisées au cours de la dernière décennie. Cette énigme a été surnommé le “Puzzle rayon de proton. ” Les nouveaux résultats, publiés dans une nouvelle article dans Science, confirme une conclusion de 2010 selon laquelle le proton est beaucoup plus petit que ce que l’on croyait auparavant.
La plupart des vulgarisations discutant de la structure de l’atome dépendent sur le modèle très décrié de Bohr, dans lequel les électrons se déplacent autour de la noyau en orbite circulaire. C’est bon comme médicament d’entrée à la physique, pour ainsi dire, mais la mécanique quantique nous donne une beaucoup plus précise (bien que plus étrange) description. Les électrons ne sont pas vraiment en orbite le noyau; ce sont techniquement des ondes qui prennent la forme de particules propriétés lorsque nous faisons une expérience pour déterminer leur position. En orbite autour d’un atome, ils existent dans une superposition d’états, à la fois particule et onde, avec une fonction d’onde englobant tous les probabilités de sa position à la fois. Une mesure va s’effondrer la fonction d’onde, nous donnant la position de l’électron. Faire une série de ces mesures et tracer les différentes positions qui en résultent, et cela produira quelque chose qui ressemblera à un motif en orbite flou.
L’étrangeté quantique s’étend également au proton. Techniquement c’est composé de trois quarks chargés liés par le puissant nucléaire Obliger. Mais c’est flou, comme un nuage. Et comment pouvons-nous parler de la rayon d’un nuage? Les physiciens comptent sur la densité de charge pour le faire, s’apparente à la densité de molécules d’eau dans un nuage. Le rayon de le proton est la distance à laquelle la densité de charge tombe en dessous un certain seuil d’énergie. Et il est possible de mesurer cela rayon en étudiant l’interaction de l’électron avec le proton, via soit des expériences de diffusion d’électrons ou en utilisant des électrons ou des muons spectroscopie pour regarder la différence entre l’énergie atomique les niveaux. (C’est ce qu’on appelle le “décalage d’agneau”, après le prix Nobel Wallis Lamb, qui a mesuré pour la première fois le décalage en 1947.) Le flou combiné de l’électron et du proton signifie que l’électron peut être n’importe où à l’intérieur de cette région, y compris à l’intérieur du proton.
Les atomes d’hydrogène sont les noyaux les plus simples, avec un seul proton orbite par un électron, de sorte que c’est généralement ce que les physiciens ont utilisé pour leurs expériences pour mesurer le rayon de charge du proton. Pendant longtemps, la valeur acceptée était de 0,876 femtomètres – un “monde moyenne “de nombreuses mesures différentes avec barres d’erreur suffisantes pour permettre des mesures futures.
Agrandir / Le chef de groupe, Eric Hessels, dans son laboratoire de l’Université York. York University
Ce sont les mesures de spectroscopie de muons qui ont provoqué la problème en 2010. Pour leur expérience, les physiciens du Max L’Institut d’optique quantique de Planck a utilisé l’hydrogène muonique pour remplacer l’électron en orbite autour du noyau avec un muon, l’électron frère plus lourd (et de très courte durée). Depuis c’est presque 200 fois plus lourd que l’électron, il a une orbitale beaucoup plus petite, et donc une probabilité beaucoup plus élevée (10 millions de fois) d’être à l’intérieur du proton. Et cela le rend dix millions de fois plus sensible en tant que technique de mesure, en raison de sa proximité plus proche de la proton.
Randolf Pohl, l’un des physiciens qui a réalisé l’original Expérience de 2010, a expliqué le concept sous-jacent lors d’une réunion en 2013 de l’American Physical Society. “Supposons que le proton est une boule de charge, avec l’électron dansant à travers le proton “, a-t-il déclaré. “Quand il est au centre du proton, il est également attiré de tous les côtés, avec les charges tout autour, donc il n’y a pas de filet attraction entre le proton et le muon. Cela déplace toute l’énergie Etat jusqu’à. C’est l’effet recherché avec le laser la spectroscopie, quand on mesure la différence entre deux énergies niveaux: quand l’électron est à l’intérieur et à l’extérieur du proton “.
Les physiciens s’attendaient à mesurer à peu près le même rayon pour le proton comme expériences antérieures, mais avec moins d’incertitude. L� ne devrait pas y avoir de différence (autre que la masse et la durée de vie) entre électron et le muon, théoriquement. Au lieu de cela, ils ont mesuré un rayon de proton significativement plus petit de 0,841 femtomètres, 0.00000000000003 millimètres plus petit, bien en dehors de la établie barres d’erreur. Cinq écarts-types par rapport à la valeur obtenue par d’autres méthodes.
“Cela fait certainement un cas assez fort pour la taille plus petite étant la taille correcte. ”
Pohl et al. passé des années à vérifier et à revérifier leurs données, donc s’il s’agissait d’une erreur expérimentale – ou si la théorie sous-jacente de électrodynamique quantique (QED, qui décrit comment la lumière interagit avec la matière) a été mal appliquée, c’est un problème important. Les théoriciens se sont demandé si le CQFD aurait peut-être besoin d’être modifié pour tenir tenir compte de légères différences dans les propriétés du muon. La possibilité la plus excitante: cela pourrait être un soupçon de nouvelle physique au-delà du modèle standard. C’était toujours le moins probable explication, et au cours de la décennie suivante, il est devenu encore moins probable.
Les mesures ultérieures effectuées par divers groupes n’ont pas été concluantes quant à savoir si la valeur plus grande ou plus petite est correcte. Par exemple, en 2013, la même équipe internationale a réalisé des spectacles à base de muon expériences qui ont confirmé leur valeur de 2010, produisant un mesure de 0,84 femtomètres pour le rayon du proton, avec un écart de 7 sigma. Une autre variante expérimentale en 2016 impliqué de remplacer l’électron par un muon dans un atome de deutérium-un isotope lourd de l’hydrogène, avec un neutron et un proton et électron. L’idée était que la présence d’un neutron modifierait comment les électrons et les muons perçoivent la charge du proton. Ça aussi, était en ligne avec le résultat de 2010.
Cependant, deux expériences utilisant de l’hydrogène régulier pour mesurer la Le rayon du proton a produit des résultats mitigés: une étude de Theodor en 2017 Le groupe de Hänsch (y compris Pohl) a également confirmé le résultat de 2010, alors qu’une mesure de 2018 correspondait à la valeur plus élevée avant l’expérience de 2010. Ainsi, les scientifiques de l’Université York ont récemment a opté pour une mesure électronique du rayon du proton, analogue à la mesure originale de 2010 basée sur les muons, dans l’espoir de rapprocher les différents résultats contradictoires d’un consensus.
Enlarge /L’appareil de mesure de l’équipe de l’Université York.N. Bezginov et al./Science
Alors que les mesures de muons ont nécessité de grands accélérateurs de particules pour produire les muons, l’équipe de l’Université de York a été en mesure de une expérience sur table, bien que utilisant une table assez grande mesurant environ quatre mètres (13 pieds). Et ils ont délibérément fait un mesure aveugle pour éviter tout biais, révélant enfin la valeur qu’ils avaient mesurée sur huit ans à peine quelques semaines avant soumettant leur article pour publication. “La difficulté fait que nous ne sommes pas influencés par quoi que ce soit qui pourrait compliquer ou changer les états d’énergie dans notre mesure “, a déclaré le chef du groupe Eric Hessels. “Une bonne partie des huit années [ont été] passées à faire très attention pour comprendre tous les aspects de la mesure afin que nous puissions élimine soigneusement les possibilités d’avoir commis des erreurs “.
Le résultat: leur mesure de 0,833 femtomètres (un peu moins de un billion de mètre) est en accord avec la plus petite valeur de la Étude de 2010. C’est une bonne nouvelle pour le modèle standard et une mauvaise nouvelle pour ceux qui espèrent une nouvelle physique passionnante. “Parce que c’est un comparaison directe, cela fait certainement un cas assez fort pour le taille plus petite étant la taille correcte “, a déclaré Hessels. des expériences par d’autres groupes sont actuellement en cours, et il s’attend � la communauté convergera vers un consensus à mesure que ces résultats se répercuteront dans les deux prochaines années.
“Fondamentalement, nous voulons vraiment comprendre ce que toutes les lois de la physique sont, et s’il y a une différence que personne ne peut expliquer, il est possible que les lois de la physique ne soient pas compris, “a déclaré Hessels de la motivation pour faire une telle expériences. “Si nous convenons d’une taille plus petite pour le proton, cela devient un autre bloc de construction de ce que nous comprenons, et permet nous utilisons l’atome d’hydrogène pour tester d’autres choses: pour tester la théorie de l’électrodynamique quantique à plus haute précision, ou pour tester s’il existe autre chose que le modèle standard de la physique.”
DOI: Science, 2019. 10.1126 / science.aau7807 (À propos de DOIs).
