Hur mäter man bredden på en proton?

En linjal hjälper inte och inte heller ett mikroskop. Istället, det handlar om att krossa elektroner till protoner med nästan ljusets hastighet, sedan mäta hur långt elektronerna färdas när de studsar av, eller strö, från protonerna.

Denna metod kallas elektronspridning, och en ny version användes vid Jefferson Laboratory för första gången, ger en av de mest exakta mätningarna någonsin för laddningsradien för en proton.

Fysiker som ägnar sina liv åt att utforska det subatomära universum säger att dessa resultat för vetenskapen närmare att lösa "protonradie -pusslet" - eller förklarar varför olika experimentella metoder genom åren har kommit fram till två olika mätningar.

Under en lång tid, protonradien mättes till 0,88 femtometer (fm). Sedan 2010 kom en annan typ av experiment med 0,84 fm, eller cirka 4 % mindre.

Varför skulle en skillnad på 4% på en infinitesimal skala ha betydelse?

För en, sa Ashot Gasparian, en professor vid North Carolina A&T State University och experimentteamledare, protonen, som sitter i hjärtat av atomen, ligger i skärningspunkten mellan tre huvudgrenar av fysiken:atom, kärnkraft och partikel. Så även en liten skillnad är en stor sak - vissa fysiker spekulerade till och med att resultaten från 2010 kan signalera en femte naturkraft.

Och, för en annan, mer exakta mätningar av subatomära partiklar hjälper till att finslipa standardmodellen för partikelfysik, en mall som hjälper till att förklara hur universum fungerar.

Så 2012 arbetade Gasparian och hans team för att komma fram till en ny typ av elektronspridningsexperiment - den första nya metoden på ett halvt sekel - för att mäta protonradien. Kallas PRad-experimentet, den fick hög prioritet vid Jefferson Lab och dess kraftfulla CEBAF-accelerator.

"Folk letade efter svar, " sa Gasparian. "Men för att göra ytterligare ett experiment med elektron-protonspridning, många skeptiker trodde inte att vi kunde göra något nytt. "

Fortfarande, laget kom med tre verktyg och metoder.

Den första var att implementera en ny typ av fönsterlöst målsystem som i huvudsak gjorde det möjligt för spridda elektroner att röra sig ganska sömlöst in i detektorerna.

Den andra använde en kalorimeter snarare än en traditionell magnetisk spektrometer för att detektera och mäta energierna och positionerna för de spridda elektronerna, medan en nybyggd gaselektronmultiplikator också upptäckte elektronernas positioner med allt större noggrannhet.

Och den tredje var att placera dessa detektorer extremt nära i vinkelavstånd från där elektronstrålen träffade vätemålet.

"Vid elektronspridning, för att extrahera radien, vi måste gå till en så liten spridningsvinkel som möjligt, " sa Dipangkar Dutta, teammedlem och professor vid Mississippi State University. "För att få protonradien, du måste extrapolera till noll vinkel, som du inte kan komma åt i ett experiment. Så ju närmare noll du kan komma, desto bättre."

Måtten teamet kom fram till var 0,831 fm, i huvudsak bekräftar 2010 års mätning. Deras resultat krossade förhoppningarna hos fysiker som hade drömt om en femte kraft.

"PRad-experimentet verkar stänga dörren för den möjligheten, "sa Dutta." Detta återstår att bekräfta med liknande experiment, men just nu verkar det så."

Deras resultat publicerades nyligen i tidskriften Natur . Teamet arbetar redan mot fler experiment vid Jefferson Lab för att minska osäkerheten i protonradien ytterligare, Sa Gasparian. Under tiden, några andra kärnfysiska anläggningar runt om i världen gör detsamma.

"Om precisionen förbättras ytterligare, sa Gasparian, "Det kan visa att det är en liten skillnad, och det kommer att vara mycket viktigt för att ta reda på ny fysik. Också, samma teknik kan användas inte bara för att mäta protonstorleken, men också för andra typer av mätningar där vi skulle kunna se bortom standardmodellens fysik. "

Vart kan sådana ansträngningar leda en dag ute i den verkliga världen?

"Det är väldigt svårt att förutse, ", sa Dutta. "För när du gör grundläggande vetenskap vet ingen vad den slutliga tillämpningen kommer att bli."

Men det finns betydande prejudikat, han sa. MRT, eller magnetiska resonansavbildningsskannrar, kom från någon som försökte mäta protonens spinn i molekylstrukturen. Kiseltransistorer, som revolutionerade elektroniken, sprang från att någon pysslade med bitar av kisel för att ta reda på hur de beter sig. Och protonterapier för att behandla cancer kom från någon som försökte mäta hur protonen avsätter sin energi när den passerar genom material.

©2019 Daily Press (Newport News, Va.)
Distribueras av Tribune Content Agency, LLC.