プロトンが予想よりも小さい

新しい測定により、陽子半径のデフォルト値との不一致が確認されます

陽子は以前に示された公式のデフォルトより明らかに小さい。 ©NPO / thinkstock
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偏差の確認:物質の基本的な構成要素の1つは、以前考えられていたよりも小さい-プロトンです。 水素に関する新しい測定により、陽子半径は公式のデフォルト値よりも4〜5パーセント小さくなければならないことが示されています。 これは、以前の測定における同様の矛盾を確認し、自然科学のいくつかの物理定数を修正する必要があることを示唆しています。

陽子は、中性子とともに原子の核を形成するため、物質の基本的な構成要素の1つです。 同時に、重要な自然定数は、リドバーグ定数を含むプロトンに基づいています。 これにより、たとえば、スペクトル線を特定の要素に割り当てることができます。 したがって、陽子の質量と直径を正確に知ることが重要です。

謎の矛盾

しかし、ここに問題があります。近年、いくつかの測定により、陽子の公式値について疑問が生じています。 2010年、物理学者は陽子-ミューオン化合物のレーザー分光法を使用して、デフォルトの0.8768フェムトメートルより約4%低い陽子半径を見つけました。

「ミューオンは電子の200倍重いため、陽子にはるかに近く、「文字通りその膨張を感知します」とマインツ大学のプロジェクトリーダーランドルフポールは説明します。 「この結果、陽子半径を決定できる精度が高くなりました。」2016年、重水素原子核とミューオンを使用した測定でも、陽子半径の値が小さくなりました。 そして、2017年の初めに、研究者は最終的に質量の標準値からの偏差を決定しました。

水素の再測定

しかし、これらの測定はどれほど信頼できるのでしょうか? 公式のデフォルト値を変更する必要がありますか? この質問に答えるために、決定的な測定がまだ保留されていました。「通常の」水素原子での陽子半径の決定-重いミュー粒子による電子の交換なし。 ガーヒングのマックスプランク量子光学研究所(MPQ)のAxel Beyerと彼の同僚は、この測定を達成しました。 ディスプレイ

この写真は、水素原子の2S-4P遷移周波数の測定に使用される真空装置を示しています。 量子光学の MPI

実験のために、研究者は、水素原子の2つの異なるエネルギー遷移で生じるスペクトル線を分析しました。この倍増は、値を信頼できるものにするために必要です。 最初の測定は、2011年にいわゆる1S-2S移行で行われました。 この場合、電子は励起後に基底状態に戻り、特にシャープで細いスペクトル線を生成します。

小さい半径を確認

現在の実験では、バイエルと彼の同僚は、2S-4P遷移、2つの励起状態間の変化を分析しました。 この目的のために、彼らは絶対零度より数度上まで冷却された水素原子に波長468ナノメートルのレーザーを照射しました。 それによって4Pレベルで励起された原子がより低い2S状態に戻ると、それらは、そのエネルギー含有量が陽子サイズの結論を可能にする光子を放出します。

結果:両方のスペクトル測定により、陽子が以前考えられていたよりも小さくなり得ることが確認されました。 標準値よりも最大5%低いプロトン半径値の場合、通常の水素でも結果が得られます。Beyerと彼の同僚は、以前は有効だった0ではなく0.8335フェムトメーターになります、8768フェムトメーター。 「これは、世界の水素データから3.3標準偏差の差に相当します」と、MPQのプロジェクトリーダーThomas Udem氏は説明します。

デフォルト値は変更されていますか?

さらに、「当社の測定値は、通常の水素を使用した他のすべての実験とほぼ同じくらい正確です」とUdem氏は言います。 彼と彼の同僚はまた、測定エラーとエラーを除外するために3年間データを分析しました。 より小さな陽子の兆候はかなり増えます。 しかし、物理学者は、安全測定のために、他の方法を使用しても、さらに測定する必要があることを強調しています。

しかし今でも、科学技術データ委員会(CODATA)は頭を悩ませています。 物理定数のデフォルト値を設定するのは公的な機関です。 「この結果を非常に真剣に受け止めます」とCODATAのメンバーであるKrzysztof Pachuckiは言います。 彼は、次の改訂が保留になると、陽子半径とリュードベリ定数の公式値が変更される可能性が高いと考えています。 2018年にはすでにそうです。 (科学、2017; doi:10.1126 / science.aah6677)

(Science、Max Planck Institute for Quantum Optics、nature news、09.10.2017-NPO)