Exakt mätning ger ny insikt i protonens fysik
ALPHA Collaboration-forskare vid CERN mäter protonens elektriska och magnetiska struktur.
Protonen, en av materiens grundläggande byggstenar, består av ännu mer fundamentala partiklar som kallas kvarkar och gluoner. Protonens struktur och dynamik är komplex och fortfarande inte helt förstådd. En exakt kunskap om dessa egenskaper är dock oumbärlig för att förstå en mängd olika processer, såsom kärnfusion, som är en lovande kandidat för att säkerställa vår energiförsörjning i framtiden, eller neutronstjärnornas egenskaper.
Protonens elektriska och magnetiska egenskaper är bland dess mest grundläggande egenskaper. Den elektriska laddningen och det magnetiska momentet, som beskriver protonens styrka som en magnet, kan mätas exakt i dedikerade experiment. Avvikelser från de exakt förutsagda värdena för protonens storlek och magnetiska styrka som ges av den grundläggande standardmodellen för partikelfysik skulle vara ett tecken på ny fysik bortom standardmodellen. Dessa hittills oupptäckta fenomen förväntas inträffa på de extremt höga energi- och längdskalor som kännetecknade det tidiga universum, mikrosekunder efter Big Bang. De utgör viktiga målstorheter för forskningsprogrammet vid högenergifysikavdelningen vid DESY, eftersom de har nyckeln till att förstå hur vårt universum bildades.
Ett team av forskare ledda av medlemmar från Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) och University of Mainz, båda belägna i Tyskland, använde i samarbete med kollegor från andra institut de unika egenskaperna hos antiväteatomer för att mäta protonens magnetiskt moment med oöverträffad noggrannhet. Antiväte består av en antiproton och en antielektron (kallad positron). Båda motsvarigheterna har samma massa men motsatt elektrisk laddning till sina vanliga motsvarigheter. Som en konsekvens gör mätningar utförda med antiväte att isolera och exakt bestämma protonegenskaper som är svåra eller omöjliga att mäta direkt i väte.
Forskarna skapade antiväte i ALPHA-2-apparaten vid CERNs Antiproton Decelerator. Protonens magnetiska moment mättes genom att styra antiprotoner genom ett magnetfält och observera hur deras snurr vänder när magnetfältet vänds. Experimentet var utmanande, eftersom mer än 10 miljoner antiprotoner krävdes bara för en enda mätning, ett enormt antal med tanke på att produktionen av en enda antiproton vanligtvis involverar sofistikerade flerstegsprocesser som varar i flera dagar. För att övervinna detta hinder använde forskarna en genialisk teknik för "antiväte-tappning". De lagrade antiprotoner i en miljö med ultrahögt vakuum i flera veckor, vilket gjorde att de ackumulerade antiprotonerna kunde användas för flera mätningar trots de extremt låga produktionshastigheterna.
Kombinationen av det nya ALPHA-2-resultatet och tidigare mätningar utförda vid Paul Scherrer Institute (Villigen, Schweiz) ger det mest exakta värdet för protonens magnetiska moment hittills och ger ett stringent test av kvantelektrodynamik. Resultatet representerar ett betydande framsteg på vägen mot det slutliga målet för ALPHA-samarbetet:en precisionsjämförelse mellan egenskaperna hos väte och antiväte, som kommer att söka efter antydningar om nya grundläggande interaktioner och symmetrier.
