Heliul instabil adaugă o limită epicului în desfășurare la dimensiunea protonului

Fizicienii, care și-au dedicat viața studierii subiectului, nu par să-i placă prea mult fizica, deoarece speră întotdeauna să se spargă. Dar trebuie să-i iertăm. Descoperirea că o mică teorie nu poate explica rezultatele experimentale este un semn că s-ar putea să avem nevoie de o nouă teorie și este ceva care ar entuziasma orice fizician.

În ultimii ani, unul dintre lucrurile care au părut mai fracturate a fost măsurarea aparent simplă: raza sarcinii unui proton, care este o măsură a dimensiunii sale fizice. Măsurătorile făcute cu atomi de hidrogen, care au un singur electron care orbitează un proton, ne-au dat un răspuns. Măsurătorile în care electronul a fost înlocuit cu o particulă mai grea, numită muon, ne-au dat un răspuns diferit – iar rezultatele au fost inconsistente. S-au făcut multe eforturi pentru a elimina această contradicție și S-a micșoratDar nu a dispărut.

Aceasta este ceea ce îi face pe teoreticieni să saliveze. Modelul standard nu are spațiu pentru diferențele dintre electroni și muoni, deci ar putea fi un semn că modelul standard este greșit? Echipa din spatele unora dintre măsurătorile anterioare se întoarce acum cu o nouă măsurare, urmărind comportamentul unui muon care orbitează un nucleu de heliu. Rezultatele sunt în concordanță cu alte măsurători ale razei încărcăturii cu heliu, indicând că nu este nimic amuzant la muon. Deci, modelul standard poate răsufla ușurat.

Măsurarea muonului?

Măsurarea implicată este, pur și simplu, destul de nebună. Muonii sunt în esență copii grele ale electronilor, astfel încât înlocuirea unuia cu alta într-un atom este relativ simplă. Masa muonului oferă unele avantaje pentru aceste tipuri de măsurători. Masa asigură că orbitalele muonice sunt în cele din urmă comprimate până la punctul în care funcția lor de undă interferează cu funcția de undă a nucleului. Ca urmare, comportamentul muonului atunci când orbitează în jurul nucleului este foarte sensibil la raza de încărcare a nucleului.

Toate acestea ar fi grozave dacă nu ar fi faptul că muonii sunt instabili și de obicei se descompun în mai puțin de 2 microsecunde. Plasarea unuia dintre ei pe orbită în jurul unui nucleu de heliu mărește complicațiile, deoarece heliul are de obicei doi electroni în orbită și pot interacționa între ei. Interacțiunile triple așteptate ale unui nucleu muon-electron sunt în prezent dincolo de capacitatea noastră de a calcula, ceea ce înseamnă că nu vom avea idee dacă comportamentul real diferă de teorie.

Astfel, cercetătorii au rezolvat această problemă prin crearea unui ion încărcat pozitiv format dintr-un nucleu de heliu și un singur muon care orbitează în jurul acestuia. A face una dintre acestea – sau mai precis, a face sute – este locul unde începe nebunia.

Cercetătorii au avut acces la fasciculul de muoni creat de colizorul de particule și au decis să direcționeze fasciculul către niște gaze cu heliu. În acest proces, când intră muoni, are multă energie pentru a rămâne pe orbita în jurul unui nucleu de heliu, așa că ricoșează, pierzând energie la fiecare coliziune. Odată ce muonii au încetinit suficient, pot intra pe o orbită de mare energie într-un atom de heliu și se pot ciocni cu unul dintre electronii săi în acest proces. Dar al doilea electron este încă acolo, încurcând eventualele măsurători.

Dar muonul are mult impuls datorită masei sale, iar transferul de energie în interiorul atomului este mai rapid decât pierderea de energie din mediu. Așadar, în timp ce muonul transferă o parte din energia sa către electron, masa mai mică a electronului asigură că acest lucru este suficient pentru a scoate electronul din atom, lăsându-ne un ion de muon de heliu. Din fericire, toate acestea s-au întâmplat suficient de repede încât muonul nu a avut nicio șansă să se descompună.

Să înceapă nebunia

În acest moment, muonul se află de obicei pe o orbită de energie mai mică, dar are mai multă energie decât starea de bază. Cercetătorii au pus un declanșator sensibil la apariția muonilor în experiment. După o întârziere pentru a permite muonilor să scoată cei doi electroni, declanșatorul determină laserul să lovească proba cu cantitatea adecvată de energie pentru a crește muonul de pe orbita 2S la orbita 2P. De acolo, se va descompune la starea de bază și va elibera raze X în acest proces.

Mulți muoni nu vor fi pe orbita 2S, iar laserul nu va avea niciun efect asupra lor. Cercetătorii au fost dispuși să sacrifice o mulțime de heliu de muon pe care l-au făcut pentru a avea măsurători precise pentru cele care se aflau în starea corectă. Prezența lor a fost indicată prin detectarea cu raze X cu energie adecvată. Pentru a se asigura în continuare că se uită la ceea ce trebuie, cercetătorii au luat doar datele asociate cu un electron de mare energie produs de decăderea muonului.

Și amintiți-vă, toate acestea trebuie făcute suficient de repede pentru a se întâmpla într-o fereastră de timp de microsecundă înainte ca muonul să se descompună.

Primul pas a implicat setarea laserului utilizat la frecvența corectă pentru a crește muonul pe orbita 2P, deoarece aceasta este valoarea pe care trebuie să o măsurăm. Acest lucru a fost realizat prin setarea unui laser reglabil pe o gamă de frecvențe până când heliul a început să producă raze X. Odată ce frecvența a fost determinată, cercetătorii au luat datele timp de 10 zile, ceea ce a fost suficient pentru măsurători precise ale frecvenței. În acest timp, cercetătorii au observat 582 de ioni de muon de heliu.

Pe baza calculelor care utilizează frecvența laserului, cercetătorii au descoperit că raza de încărcare a unui miez de heliu este de 1,6782 femtometri. Măsurătorile făcute prin respingerea electronilor de pe nucleu indică 1.681. Aceste două valori se numără printre erori experimentale, deci sunt foarte convenite.

Ne pare rău, nu a fost spart

La un nivel mai simplu, faptul că măsurătorile muonilor coincid cu măsurătorile efectuate independent indică faptul că nu există nimic special la muoni. Astfel, Modelul standard, care spune același lucru, rămâne intact în măsura destul de mică pe care o permit erorile experimentale de aici. (Asta nu înseamnă că altfel nu a fost rupt, desigur.) Deci, teoreticienii de pretutindeni vor fi dezamăgiți.

Deoparte de divertisment, cercetătorii și-au comparat valoarea cu una generată acum zeci de ani în acceleratoarele de particule de la CERN. Această valoare sa dovedit a fi aceeași, dar numai întâmplător, deoarece lucrarea anterioară a avut două erori de compensare. Cercetătorii notează că „raza de încărcare citată nu este prea departe de valoarea noastră”, dar că acest lucru ar putea fi urmărit din coincidența jenantă a unui experiment fals cuplat cu o predicție incompletă a teoriei 2P-2S, întâmplător. – valoare falsă. ”Deci, în acest caz, două erori ne-au făcut aproape să avem dreptate.

Cu toate acestea, această lucrare va concentra atenția cercetătorilor asupra încercării de a descoperi de ce diferite experimente cu protoni continuă să producă rezultate care nu prea sunt de acord, deoarece nu putem da vina pe lucrurile pe care muonul le-a făcut ciudat. Între timp, putem aprecia cu toții cât de uimitor putem face atât de mult cu muoni într-o fracțiune de secundă în care se află.

Natura, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03183-1 (Despre DOI).