Forskare från York University har gjort en exakt mätning av protonens storlek – ett avgörande steg mot att lösa ett mysterium som har sysselsatt forskare runt om i världen under det senaste decenniet.

Forskare trodde att de visste storleken på protonen, men det förändrades 2010 när ett team av fysiker mätte protonradievärdet till fyra procent mindre än förväntat, som förvirrade vetenskapssamfundet. Sedan dess, världens fysiker har kämpat för att lösa proton-radie-pusslet - inkonsekvensen mellan dessa två proton-radie-värden. Detta pussel är ett viktigt olöst problem inom grundläggande fysik idag.

Nu, en studie som ska publiceras i tidskriften Vetenskap hittar ett nytt mått på protonens storlek vid 0,833 femtometer, vilket är strax under en biljondels millimeter. Detta mått är cirka fem procent mindre än det tidigare accepterade radievärdet från före 2010.

Studien, ledd av forskare vid York Universitys naturvetenskapliga fakultet, presenterar en ny elektronbaserad mätning av hur långt protonens positiva laddning sträcker sig, och det bekräftar 2010 års upptäckt att protonen är mindre än man tidigare trott.

"Nivån av precision som krävs för att bestämma protonstorleken gjorde detta till den svåraste mätningen som vårt laboratorium någonsin har försökt, " sa den framstående forskningsprofessor Eric Hessels, Institutionen för fysik och astronomi, som ledde studien.

"Efter åtta års arbete med detta experiment, vi är glada över att kunna spela in en sådan högprecisionsmätning som hjälper till att lösa det svårfångade protonradiepusslet, sa Hessels.

Strävan efter att lösa protonradiepusslet har långtgående konsekvenser för förståelsen av fysikens lagar, såsom teorin om kvantelektrodynamik, som beskriver hur ljus och materia samverkar.

Hessels, som är en internationellt erkänd fysiker och expert på atomfysik, säger att tre tidigare studier var avgörande för att försöka lösa diskrepansen mellan elektronbaserade och myonbaserade bestämningar av protonstorleken.

Studien 2010 var den första som använde muoniskt väte för att bestämma protonstorleken, jämfört med tidigare experiment som använde vanligt väte. Just då, forskare studerade en exotisk atom där elektronen ersätts av en myon, elektronens tyngre kusin. Medan en studie från 2017 med väte överensstämde med 2010 års myonbaserade bestämning av protonladdningsradien, ett experiment från 2018, använder också väte, stödde värdet före 2010.

Hessels och hans team av forskare tillbringade åtta år fokuserade på att lösa protonradiepusslet och förstå varför protonradien fick ett annat värde när den mättes med myoner, snarare än elektroner.

York University-teamet studerade atomärt väte för att förstå det avvikande värdet som erhålls från muoniskt väte. De utförde en högprecisionsmätning med FOSOF-tekniken (frequency-offset separated oscillatory fields), som de utvecklat för denna mätning. Denna teknik är en modifiering av tekniken med separerade oscillerande fält som har funnits i nästan 70 år och vann Norman F. Ramsey ett Nobelpris. Deras mätning använde en snabb stråle av väteatomer skapad genom att passera protoner genom ett molekylärt vätgasmål. Metoden gjorde det möjligt för dem att göra en elektronbaserad mätning av protonradien som är direkt analog med den myonbaserade mätningen från 2010 års studie. Deras resultat överensstämmer med det mindre värde som hittades i 2010 års studie.