Vad är massan av en proton? Forskare från Tyskland och Japan har tagit ett viktigt steg mot att bättre förstå denna grundläggande konstant. Med hjälp av precisionsmätningar på en enda proton, de kunde förbättra precisionen med en faktor tre och även korrigera det befintliga värdet.

För att bestämma massan av en enda proton mer exakt, gruppen fysiker från Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg och RIKEN i Japan utförde en viktig högprecisionsmätning i ett mycket avancerat Penning-fällsystem, designad av Sven Sturm och Klaus Blaum från MPI-K, med ultrakänsliga enpartikeldetektorer som delvis utvecklats av RIKEN:s Ulmer Fundamental Symmetries Laboratory.

Protonen är kärnan i väteatomen och en av de grundläggande byggstenarna i alla andra atomkärnor. Därför, protonens massa är en viktig parameter i atomfysiken:det är en av de faktorer som påverkar hur elektronerna rör sig runt atomkärnan. Detta återspeglas i spektra, d.v.s. de ljusa färger (våglängder) som atomer kan absorbera och avge igen. Genom att jämföra dessa våglängder med teoretiska förutsägelser, det är möjligt att testa grundläggande fysiska teorier. Ytterligare, exakta jämförelser av protonens och antiprotonets massor kan hjälpa till i jakten på den avgörande skillnaden - förutom laddningens omvända tecken - mellan materia och antimateria.

Penningfällor är väl beprövade som lämpliga "vågar" för joner. I en sådan fälla, det är möjligt att begränsa, nästan på obestämd tid, enstaka laddade partiklar såsom en proton, till exempel, med hjälp av elektriska och magnetiska fält. Inuti fällan, den fångade partikeln utför en karakteristisk periodisk rörelse vid en viss oscillationsfrekvens. Denna frekvens kan mätas och partikelns massa beräknas utifrån den. För att nå målinriktad hög precision, en genomarbetad mätteknik krävdes.

Kolisotopen ¹² C med en massa på 12 atomenheter definieras som massstandarden för atomer. "Vi använde det direkt för jämförelse, "säger Sven Sturm." Först lagrade vi varje proton och en kolsjon ( ¹² C ⁶⁺ ) i separata fack i vår Penning -fällapparat, transporterade sedan var och en av de två jonerna in i det centrala mätfacket och mätte dess rörelse. "Från förhållandet mellan de två mätvärdena erhöll gruppen protonens massa direkt i atomenheter. Mätfacket var utrustat med specialutvecklad specialbyggd elektronik. Andreas Mooser från RIKEN's Fundamental Symmetries Laboratory förklarar dess funktion:"Det gjorde det möjligt för oss att mäta protonen under identiska förhållanden som koljonen trots dess cirka 12-faldiga lägre massa och 6-faldiga mindre laddning."

Den resulterande massan av protonen, bestämd att vara 1,007276466583 (15) (29) atommassanheter, är tre gånger mer exakt än det nu accepterade värdet. Siffrorna inom parentes hänvisar till de statistiska och systematiska osäkerheterna, respektive.

Intressant nog, det nya värdet är betydligt mindre än det nuvarande standardvärdet. Mätningar av andra författare gav avvikelser med avseende på massan av tritiumatomen, den tyngsta väteisotopen (T = ³ H), och massan av lätt helium ( ³ Han) jämfört med den "halvtunga" vätemolekylen HD (D = ² H, deuterium, tungt väte). "Vårt resultat bidrar till att lösa detta pussel, eftersom det korrigerar protonens massa i rätt riktning, säger Klaus Blaum.

Florian Köhler-Langes från MPIK förklarar hur forskarna tänker ytterligare förbättra precisionen i deras mätning:"I framtiden, vi kommer att lagra en tredje jon i vårt fälltorn. Genom att samtidigt mäta rörelsen för denna referensjon, vi kommer att kunna eliminera osäkerheten som härrör från magnetfältets fluktuationer. "Arbetet publicerades i Fysiska granskningsbrev .