I experiment vid Paul Scherrer Institute PSI, ett internationellt forskningssamarbete har mätt radien för atomkärnan i helium fem gånger mer exakt än någonsin tidigare. Med hjälp av det nya värdet, grundläggande fysikaliska teorier kan testas och naturliga konstanter kan bestämmas ännu mer exakt. För deras mått, forskarna behövde myoner – dessa partiklar liknar elektroner men är cirka 200 gånger tyngre. PSI är den enda forskningsplatsen i världen där tillräckligt många så kallade lågenergimyoner produceras för sådana experiment. Forskarna publicerar sina resultat i dag i tidskriften Natur .

Efter väte, helium är det näst vanligaste grundämnet i universum. Ungefär en fjärdedel av de atomkärnor som bildades under de första minuterna efter Big Bang var heliumkärnor. Dessa består av fyra byggstenar:två protoner och två neutroner. För grundläggande fysik, det är viktigt att känna till egenskaperna hos heliumkärnan, bland annat för att förstå processerna i andra atomkärnor som är tyngre än helium. "Heliumkärnan är en mycket grundläggande kärna, som skulle kunna beskrivas som magiskt, " säger Aldo Antognini, en fysiker vid PSI och ETH Zürich. Hans kollega och medförfattare Randolf Pohl från Johannes Gutenberg University Mainz i Tyskland tillägger:"Vår tidigare kunskap om heliumkärnan kommer från experiment med elektroner. Vid PSI, dock, vi har för första gången utvecklat en ny typ av mätmetod som ger mycket bättre noggrannhet."

Med detta, det internationella forskningssamarbetet lyckades bestämma heliumkärnans storlek cirka fem gånger mer exakt än vad som var möjligt vid tidigare mätningar. Gruppen publicerar idag sina resultat i den välrenommerade vetenskapliga tidskriften Natur . Enligt deras fynd, den så kallade medelladdningsradien för heliumkärnan är 1,67824 femtometer.

"Idén bakom våra experiment är enkel, "förklarar Antognini. Normalt kretsar två negativt laddade elektroner om den positivt laddade heliumkärnan." Vi arbetar inte med normala atomer, men med exotiska atomer där båda elektronerna har ersatts av en enda myon, säger fysikern. Myonen anses vara elektronens tyngre bror; den liknar den, men den är cirka 200 gånger tyngre. En muon är mycket starkare bunden till atomkärnan än en elektron och omger den i mycket smalare banor. Jämfört med elektroner, en myon är mycket mer sannolikt att stanna i själva kärnan. "Så med muoniskt helium, vi kan dra slutsatser om strukturen hos atomkärnan och mäta dess egenskaper, " förklarar Antognini.

Långsamma myoner, komplicerat lasersystem

Myonerna produceras vid PSI med hjälp av en partikelaccelerator. Anläggningens specialitet:generering av myoner med låg energi. Dessa partiklar är långsamma och kan stoppas i apparaten för experiment. Detta är det enda sättet som forskare kan bilda de exotiska atomerna där en myon kastar ut en elektron ur sin omloppsbana och ersätter den. Snabba muoner, i kontrast, skulle flyga rakt igenom apparaten. PSI-systemet levererar fler lågenergimyoner än alla andra jämförbara system världen över. "Det är därför experimentet med muoniskt helium bara kan utföras här, "säger Franz Kottmann, som i 40 år har pressat fram de nödvändiga förstudierna och den tekniska utvecklingen för detta experiment.

Muonerna träffade en liten kammare fylld med heliumgas. Om förutsättningarna är de rätta, muoniskt helium skapas, där myonen befinner sig i ett energitillstånd där den ofta vistas i atomkärnan. "Nu kommer den andra viktiga komponenten för experimentet in i bilden:lasersystemet, Pohl förklarar. Det komplicerade systemet skjuter en laserpuls mot heliumgasen. Om laserljuset har rätt frekvens, den exciterar myonen och flyttar den till ett högre energitillstånd, där dess väg praktiskt taget alltid är utanför kärnan. När den faller från detta till grundtillståndet, den avger röntgenstrålar. Detektorer registrerar dessa röntgensignaler.

I experimentet, laserfrekvensen varieras tills ett stort antal röntgensignaler anländer. Fysiker talar då om den så kallade resonansfrekvensen. Med dess hjälp, sedan, skillnaden mellan de två energetiska tillstånden för myonen i atomen kan bestämmas. Enligt teorin, den uppmätta energiskillnaden beror på hur stor atomkärnan är. Därav, med hjälp av den teoretiska ekvationen, radien kan bestämmas från den uppmätta resonansen. Denna dataanalys utfördes i Randolf Pohls grupp i Mainz.

Protonradiemysteriet försvinner

Forskarna vid PSI hade redan mätt protonens radie på samma sätt under 2010. Vid den tiden, deras värde överensstämde inte med det som erhölls med andra mätmetoder. Det talades om ett protonradie -pussel, och vissa spekulerade i att en ny fysik kan ligga bakom den i form av en tidigare okänd interaktion mellan myonen och protonen. Den här gången finns det ingen motsättning mellan det nya, mer exakt värde och mätningarna med andra metoder. "Detta gör förklaringen av resultaten med fysik bortom standardmodellen mer osannolik, säger Kottmann. Dessutom under de senaste åren har värdet på protonradien som bestämts med andra metoder närmat sig det exakta antalet från PSI. "Protonradiepusslet existerar fortfarande, men det försvinner sakta, säger Kottmann.

"Vår mätning kan användas på olika sätt, säger Julian Krauth, första författaren till studien:"Heliumkärnans radie är en viktig prövosten för kärnfysik." Atomkärnor hålls samman av den så kallade starka interaktionen, en av de fyra grundkrafterna inom fysiken. Med teorin om stark interaktion, känd som kvantkromodynamik, fysiker skulle vilja kunna förutsäga radien för heliumkärnan och andra lätta atomkärnor med några få protoner och neutroner. Det extremt exakt uppmätta värdet för heliumkärnans radie sätter dessa förutsägelser på prov. Detta gör det också möjligt att testa nya teoretiska modeller av kärnstrukturen och att förstå atomkärnor ännu bättre.

Mätningarna på muoniskt helium kan också jämföras med experiment med normala heliumatomer och joner. I experiment med dessa, för, energiovergångar kan utlösas och mätas med lasersystem - här, fastän, med elektroner istället för myoner. Mätningar på elektroniskt helium pågår just nu. Genom att jämföra resultaten av de två mätningarna, det är möjligt att dra slutsatser om grundläggande naturkonstanter som Rydbergskonstanten, som spelar en viktig roll inom kvantmekaniken.

Ett samarbete med lång tradition

Även om mätningen av protonradien var framgångsrik först efter utdragna experiment, Heliumkärnexperimentet fungerade direkt. "Vi hade turen att allt gick smidigt, säger Antognini, "för med vårt lasersystem är vi vid gränsen för tekniken, och något kan lätt gå sönder."

"Det kommer att bli ännu svårare med vårt nya projekt, ", tillägger Karsten Schuhmann från ETH Zürich. "Här tar vi nu upp protonens magnetiska radie. Och för detta, laserpulserna måste vara 10 gånger mer energiska."