Ett internationellt samarbete mellan forskare från RIKEN:s Ulmer Fundamental Symmetries Laboratory (FSL), Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Max Planck Institute for Nuclear Physics, Heidelberg och GSI Darmstadt, har använt högprecisionstekniker för att göra den mest exakta mätningen hittills av protonets magnetmoment, tycker att det är 2.79284734462 plus eller minus 0.00000000082 kärnmagnetoner, enheten som vanligtvis används för att mäta den här egenskapen. Det magnetiska ögonblicket, en egenskap hos partiklar som ger upphov till magnetism, är en av protonens grundläggande egenskaper och är nyckeln till att förstå egenskaper som atoms struktur.

Ett krävande arbete krävdes för att göra dessa mått utan motstycke, som har en precision som är bättre än en del per miljard. Först, forskarna var tvungna att isolera en enda proton - inte två eller tre - i fällan. De gjorde detta genom att detektera den termiska signalen från jonerna som fastnat i fällan, och sedan använda ett elektriskt fält för att eliminera dem tills de var kvar med bara ett.

Nyckeln till den enorma precisionen, dock, var en kombination av extremt svår teknik i kombination med möjligheten att skjuta protonen mellan två olika fällor.

Gruppens metod för att direkt mäta det magnetiska momentet för en partikel är baserat på det faktum att en proton i en Penning -fälla justerar sin snurrning med fällans magnetfält. Den grundläggande metoden är att använda detektorn för att mäta två frekvenser-känd som Larmor (spin-precession) frekvens och cyklotronfrekvensen för protonen i ett magnetfält. Dessa kan användas för att hitta det magnetiska momentet. Protonens cyklotronfrekvens kan mätas med hjälp av det som kallas Brown-Gabrielse invariance sats, medan Larmor -frekvensen kan mätas genom att driva spinnflips - med hjälp av en radiofrekvenssignal som värmer partikeln - och mäta sannolikheten för en centrifugering som en funktion av drivfrekvensen.

Den redan höga precisionen av dessa mätningar kan ökas ytterligare, dock, genom att använda metoden med dubbla fällor, där cyklotronfrekvensen mäts och spinnövergångar induceras i en första fälla. Protonen skjuts sedan försiktigt till en andra fälla, där spinntillståndet detekteras med hjälp av en stor magnetisk inhomogenitet - en magnetflaska. Den rumsliga separationen av högprecisionsfrekvensmätning och spinntillståndsdetektering gör extremt exakta mätningar möjliga.

För de aktuella experimenten, tre individuella protoner användes för totalt 1, 264 experimentcykler, var och en tar cirka 90 minuter. Hela experimentet krävde cirka fyra månader inklusive underhåll och systematiska korskontroller.

Enligt Georg Schneider, tidningens första författare, "För att gå vidare i partikelfysik, vi kräver antingen högenergianläggningar eller superprecisa mätningar. Med vårt arbete tar vi den andra vägen, och vi hoppas i framtiden att göra liknande experiment med antiprotoner med samma teknik. Detta gör att vi kan få en bättre förståelse för, till exempel, atomstruktur. "

Enligt Andreas Mooser, andra författare till studien och medlem i RIKEN FSL, "Ser fram emot, använder denna teknik, vi kommer att kunna göra exakt exakta mätningar av antiproton vid BASE -experimentet i CERN, och detta gör att vi kan leta efter ytterligare tips om varför det inte finns någon antimateria i universum idag. "

Verket publicerades den 23 november i Vetenskap .