Tio år sedan, nästan vilken kärnfysiker som helst kan berätta den ungefärliga storleken på protonen. Men det förändrades 2010, när atomfysiker presenterade en ny metod som lovade en mer exakt mätning. Den nya mängden blev 4% kortare än väntat, starta en strid inom kärnkrafts- och atomfysiska samhällen för att avgöra om detta avvikande resultat berodde på ny fysik eller en indikation på problem med utvinning av mängden från experiment.

Nu, fyra kärnfysiker, två experimenter och två teoretiker, tror att de har löst avvikelsen med hjälp av experimentella kärnfysiska data och en avancerad fysisk modell för att få ett nytt värde för protonens storlek. Resultatet publicerades i Fysisk granskning C i april.

Tar en måttstock till Proton

En sak som alla metoder är överens om är att protonen är liten. Protonens laddningsradie, som mäter storleken på fördelningen av elektrisk laddning i kärnpartikeln, är lite mindre än en femtometer, med en enda femtometer som registrerar sig på en kvadriljonedel av en meter.

Sagt på ett annat sätt, om du tar en meterpinne och delar dess längd i en miljard lika stora bitar, och ta sedan bara en av dessa bitar och dela dess längd i ytterligare en miljon bitar, längden på var och en av dessa miljoner bitar kommer att vara en femtometer.

Eftersom den är så liten, laddningsradien för protonen kan inte mätas direkt. Istället, kärn- och atomfysiker använder sofistikerade metoder för att bestämma protonstorleken.

"I grund och botten, det handlar om protonens interaktion med elektromagnetiska fält, det är en del av det som kallas protonens elektromagnetiska struktur, eller protonens formfaktor, "förklarade Christian Weiss, en personalvetare vid Institutionen för energis Thomas Jefferson National Accelerator Facility i Center for Theoretical and Computational Physics. "Det du mäter är storleken på den rumsliga fördelningen av elektrisk laddning av protonen."

Two's Company, Tre är en folkmassa

För ungefär 30 år sedan, kärn- och atomfysiker kom med två olika metoder för att bestämma denna elektriska laddningsradie.

Kärnfysiker utför experiment via elektronspridning, där elektroner kastas mot protoner, och protonens laddningsradie bestäms av förändringen i elektronernas väg efter att de studsar av protonen.

"På något vis, elektronen sprider så försiktigt bort den protonen, "Sa Weiss.

Atomfysiker använder också elektroner för att mäta protonens radie. De observerar, med hjälp av spektroskopi, elektronernas energinivåer när de kretsar kring en liten kärna, såsom väte (med en proton) eller deuterium (med en proton och en neutron).

Med hjälp av dessa två olika metoder, en radie på cirka 0,88 femtometrar fastställdes som världsvärdet.

Sedan, år 2010, ett atomfysiskt forskargrupp gjorde ett chockerande tillkännagivande. I en twist på atomfysikmetoden, laget mätte energinivåerna hos elektroner i omloppsbana runt laboratorietillverkade väteatomer som ersatte en kretsande elektron med en muon. Medan en muon är samma partikelklass som elektronen, den har 200 gånger elektronmassan och kretsar så mycket närmare protonen. Denna närhet innebär att protonens laddningsradie har en större effekt på sin bana.

Den nya, mer exakt metod gav en mätning av .84 femtometer, eller cirka 4% mindre än världsvärdet.

Det nya resultatet utlöste en rörelse av aktivitet kring ett värde som de flesta fysiker trodde redan var avgjort. Ytterligare elektronspridningsförsök planerades, ytterligare vätgas- och muoniska vätespektroskopimätningar gjordes, och atom- och kärnteori undersöktes på nytt för ledtrådar.

Fysiker möter ansiktet

Här på Jefferson Lab, de nya insatserna galvaniserade en översyn av de experiment som användes för att fastställa världsvärdet och en översyn av kärnteori för mer exakta sätt att undersöka data eller förutsäga värdet från resultat. Ett team med fyra kärnfysiker samlades för att arbeta med vetenskapen bakom Physical Review C -publikationen.

De började med att ta upp en av de farhågor som experimentella kärnfysiker hade om elektronspridningsdata:hur mängden för protonradien erhölls från experimentella data.

"Det har varit en utmaning att extrahera protons radie från dessa elektronspridande data, eftersom de faktiska spridningsexperimenten kräver viss överföring av fart från protonen, "Weiss förklarade." Siffran som du är intresserad av är protonens svar vid överföring med noll momentum, så det är något som inte är direkt tillgängligt. "

Istället, kärnfysiker analyserar data de får från experiment vid de lägsta momentumöverföringarna och använder sedan ett förfarande för att extrapolera ner till noll. Det pågår en debatt, dock, om vilka momentumöverföringar som fortfarande är relevanta och hur extrapoleringen ska göras.

Två medlemmar i teamet är experimenterande:Douglas Higinbotham, en Jefferson Lab personalvetare, och Zhihong Ye, en senior forskningsassistent vid Argonne National Lab. De löste den experimentella sidan av utmaningen genom att överväga föranalysvärldens data över ett brett spektrum av momentumöverföringar.

Istället för att extrapolera från data för att få ett värde, de ritade istället upp data över hela intervallet av uppmätt momentumöverföringar samtidigt som de tog hänsyn till att protonens laddningsradie kan vara ett av många möjliga värden.

"Vi fixade bara radien i våra passningar och upprepade analysen många, många gånger, för varje rimligt värde av radien, "sa Higinbotham." Och gick sedan till teoretiker och bad dem att generera de teoretiska kurvorna för dessa radier, så att vi kan jämföra och se om det finns enighet. "

De andra två medlemmarna i fyrarmannsteamet är teoretiker:Weiss och José Manuel Alarcón, forskarprofessor vid Universidad Complutense de Madrid. De arbetade tillsammans för att skärpa de teoretiska metoderna som används för att analysera problemet.

"Vi använde en särskild teoretisk metod som kallas effektiv fältteori för att göra en modell av protonens struktur för hur den reagerar på elektromagnetisk spridning vid låga momentumöverföringar, "Weiss förklarade." Teorin kondenserar protonens relevanta struktur till några få tal. Och det låter dig förutse protonens svar på elektronspridning vid ändliga momentumöverföringar, och hur det är relaterat till laddningsradien som du vill extrahera. "

När experimenterna och teoretikerna sedan jämförde sitt arbete, de fann att det konvergerade till ett nytt värde för protonens radie, som visas i animationen.

"Det som är absolut vackert och slående är när du tittar på om det finns en radie där den globala passformen och den teoretiska beräkningen överensstämmer, det finns en. Det är .845 femtometrar, "sa Higinbotham." Och det är märkligt överensstämmande med muoniska radie-resultatet och inte med många av de tidigare elektronspridande extraktionsresultaten. "

Ett fönster till ny fysik

Strävan efter att lösa denna skillnad är inte en av inaktiv nyfikenhet-värdet för denna mängd har långtgående effekter. Till exempel, ett mer exakt resultat kan avslöja okända områden inom kärn- och partikelfysik.

"Det kan vara ett fönster för ny fysik. Om vi ​​inte kan förena olika mätningar för protonradien, kanske är det för att det finns ny fysik som vi inte förstår eller som vi inte har i vår teori. Det är en av anledningarna till att denna protonradie är så viktig, "förklarade Alarcón.

På frågan om de tror att detta är den slutliga bestämningen för denna mängd, alla fyra forskare avskedade.

"Vetenskap är en process för successiv förfining av idéer och metoder, där vår nuvarande förståelse bara är ett stadium från vilket vi går vidare till mer exakt teori och experiment, sa Weiss.

Tills vidare, de pekar på flera nya experimentella studier som använder nyare teknik för att mäta värdet till ännu högre precision, inklusive PRad-experimentet som tog elektron-spridningsdata i Jefferson Labs Experimentella Hall B 2016. Det är uppkallat efter sitt mål:en allt mer exakt mätning av protonens radie.

"PRad -resultatet kommer ut i år. Det blir intressant att se om det nya resultatet kan bekräfta vår vetenskapliga analys, "sa du.