Med den första nya metoden på ett halvt sekel för att mäta storleken på protonen via elektronspridning, PRad -samarbetet har producerat ett nytt värde för protonens radie i ett experiment som genomförts vid Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility.

Resultatet, nyligen publicerad i tidningen Natur , är en av de mest exakta uppmätta från elektronspridningsexperiment. Det nya värdet för protonradien som erhölls är 0,831 fm, som är mindre än det tidigare elektronspridningsvärdet på 0,88 fm och överensstämmer med de senaste muoniska atomspektroskopieresultaten.

"Vi är glada att år av hårt arbete i vårt samarbete tar slut med ett bra resultat som kritiskt kommer att hjälpa till att lösa det så kallade protonradiepusslet, "säger Ashot Gasparian, en professor vid North Carolina A&T State University och experimentets talesperson.

All synlig materia i universum är byggd på ett moln av tre kvarkar bundna tillsammans med stark kraftenergi. Den allestädes närvarande protonen, som sitter i hjärtat av varje atom, har varit föremål för många studier och experiment som syftar till att avslöja dess hemligheter. Än, ett oväntat resultat från ett experiment för att mäta storleken på detta moln, när det gäller dess rot-medelkvadratiska laddningsradie, har förenat atom- och kärnfysiker i en uppsjö av aktivitet för att ompröva denna grundmängd av protonen.

Före 2010, de mest exakta mätningarna av protonens radie kom från två olika experimentella metoder. I elektronspridningsförsök, elektroner skjuts mot protonerna, och protonens laddningsradie bestäms av förändringen i elektronernas väg efter att de studsar av, eller sprida från, protonen. Vid mätning av atomspektroskopi, övergångarna mellan energinivåer av elektroner observeras (i form av fotoner som avges av elektronerna) när de kretsar kring en liten kärna. Kärnor som vanligtvis har observerats inkluderar väte (med en proton) eller deuterium (med en proton och en neutron). Dessa två olika metoder gav en radie på cirka 0,88 femtometer.

År 2010, atomfysiker tillkännagav resultat från en ny metod. De mätte övergången mellan energinivåer av elektroner i omloppsbana runt laboratorietillverkade väteatomer som ersatte en kretsande elektron med en muon, som kretsar mycket närmare protonen och är mer känslig för protonens laddningsradie. Detta resultat gav ett värde som var 4% mindre än tidigare, vid cirka 0,84 femtometer.

Under 2012, ett samarbete mellan forskare under ledning av Gasparian samlades på Jefferson Lab för att förnya elektron-spridningsmetoder i hopp om att producera en ny och mer exakt mätning av protonens laddningsradie. PRad -experimentet prioriterades schemaläggning som ett av de första experimenten för att ta data och slutföra körningen efter en uppgradering av den kontinuerliga elektronstrålacceleratoranläggningen, en DOE -användaranläggning för kärnfysisk forskning. Experimentet tog elektronspridningsdata i Jefferson Labs experimentella hall B 2016.

"När vi började detta experiment, människor letade efter svar. Men för att göra ett annat elektron-protonspridningsexperiment, många skeptiker trodde inte att vi kunde göra något nytt, "säger Gasparian." Om du vill hitta på något nytt, du måste komma med några nya verktyg, någon ny metod. Och vi gjorde det-vi gjorde ett experiment som är helt annorlunda än andra elektronspridande experiment. "

Samarbetet införde tre nya tekniker för att förbättra precisionen för den nya mätningen. Det första var implementering av en ny typ av fönsterlösa målsystem, som finansierades av ett National Science Foundation Major Research Instrumentation -bidrag och som till stor del utvecklades, tillverkad och drivs av Jefferson Labs målgrupp.

Det fönsterlösa målet flödade kyld vätgas direkt in i strömmen av CEBAF:s 1,1 och 2,2 GeV -accelererade elektroner och tillät spridda elektroner att röra sig nästan obehindrat i detektorerna.

"När vi säger fönsterlösa, vi säger att röret är öppet för acceleratorns vakuum. Som verkar som ett fönster-men i elektron-spridning, ett fönster är ett metalllock på rörets ände, och de har tagits bort, "säger Dipangkar Dutta, en experimentets talesperson och en professor vid Mississippi State University.

"Så det här är första gången som människor faktiskt sätter ett gasflödesmål på strållinjen vid Jefferson Lab, "säger Haiyan Gao, ett experiment med-talesman och Henry Newson professor vid Duke University. "Vakuumet var bra, så att vi kunde få elektronstrålen att gå igenom vårt mål för att göra experimentet, och vi har faktiskt ett hål i ingångsfolien och ett annat i utgångsfolien. Väsentligen, strålen passerade precis direkt till vätgasen, ser inget fönster. "

Nästa stora skillnad var användningen av en kalorimeter i stället för den traditionellt använda magnetiska spektrometern för att detektera spridda elektroner som härrör från de inkommande elektronerna som träffar vätgas protoner eller elektroner. Den återanvända hybridkalorimetern HyCal mätte energierna och positionerna för de spridda elektronerna, medan en nybyggd gaselektronmultiplikator, GEM -detektorn, upptäckte också elektronernas positioner med ännu högre noggrannhet.

Data från båda detektorerna jämfördes sedan i realtid, som gjorde det möjligt för kärnfysikerna att klassificera varje händelse som en elektron-elektron-spridning eller en elektron-protonspridning. Denna nya metod för att klassificera händelserna gjorde det möjligt för kärnfysikerna att normalisera sina elektron-protonspridningsdata till elektron-elektron-spridningsdata, minskar kraftigt experimentella osäkerheter och ökar precisionen.

Den sista stora förbättringen var placering av dessa detektorer extremt nära i vinkelavstånd från där elektronstrålen träffade vätemålet. Samarbetet kunde få ner det avståndet till mindre än en grad.

"Vid elektronspridning, för att extrahera radien, vi måste gå till en så liten spridningsvinkel som möjligt, "säger Dutta." För att få protonradien, du måste extrapolera till nollvinkel, som du inte kan komma åt i ett experiment. Så, ju närmare noll du kan komma, desto bättre."

"Regionen som vi utforskade är i en sådan framåtvinkel och vid så liten överföring i fyra momentum att den aldrig har nåtts tidigare i elektron-protonspridning, "tillägger Mahbub Khandaker, en experimentets talesperson och en professor vid Idaho State University.

Medarbetarna säger att resultatet är unikt, eftersom den använde en ny teknik via elektronspridning för att bestämma protonladdningsradien. Nu, de ser fram emot att jämföra resultatet med nya spektroskopiska bestämningar av protonradien och kommande elektron- och muonspridningsmätningar som utförs över hela världen.

Ytterligare, detta resultat kastar också nytt ljus på gissningar om en ny naturkraft som föreslogs när protonradiepusslet först dök upp.

"När det första protonradiepusslet kom ut 2010, det fanns hopp i samhället om att vi kanske har hittat en femte naturkraft, att denna kraft verkar annorlunda mellan elektroner och muoner, "säger Dutta." Men PRad -experimentet verkar stänga dörren för den möjligheten. "

De säger att nästa steg är att överväga att utföra ytterligare undersökningar med denna nya experimentella metod för att uppnå ännu högre precisionsmätningar om detta och relaterade ämnen, såsom radien för deuteron, kärnan i deuterium.

"Det finns en mycket god chans att vi kan förbättra våra mätningar med en faktor två eller kanske ännu mer, "Säger Gao.