Εκπληξη! Το πρωτόνιο είναι ελαφρύτερο από όσο νομίζαμε

Δεν μπορείτε να ζυγίσετε τα μικρότερα σωματίδια του σύμπαντος σε μια ζυγαριά μπάνιου. Αλλά σε ένα έξυπνο νέο πείραμα, οι φυσικοί ανακάλυψαν ότι ένα τέτοιο σωματίδιο—το πρωτόνιο—είναι ελαφρύτερο από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.

"Είναι μια σημαντική βελτίωση στη μάζα του πρωτονίου", λέει ο Edmund Myers, ένας φυσικός στο κρατικό πανεπιστήμιο της Φλόριντα στο Tallahassee, ο οποίος δεν ασχολήθηκε με την εργασία. "Δεν μπορώ να δω καμία τρύπα σε αυτό που έχουν κάνει. Έχουν κάνει καλή δουλειά."

Τα μικροσκοπικά, θετικά φορτισμένα σωματίδια γνωστά ως πρωτόνια βρίσκονται παντού. Κατοικούν στο κέντρο κάθε ατόμου και αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος του ήλιου και άλλων άστρων. Είναι τόσο ελαφριά—μόλις τα δισεκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δισεκατομμυριοστού του κιλού— που δεν μπορούν να ζυγιστούν με συνηθισμένα μέσα. Αλλά τις τελευταίες δεκαετίες, οι φυσικοί συνδύασαν ισχυρά ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία σε μια συσκευή που ονομάζεται παγίδα Penning για να μετρήσουν τη μάζα του πρωτονίου όλο και πιο ακριβή. Σε αυτά τα πειράματα, τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία παγιδεύουν το πρωτόνιο ενώ το μαγνητικό πεδίο το αναγκάζει να κινηθεί κυκλικά. Ενώ περιστρέφεται, το πρωτόνιο θα δονείται ή θα ταλαντώνεται με συχνότητα που σχετίζεται με τη μάζα του. Οι ερευνητές μπορούν να υπολογίσουν τη μάζα του πρωτονίου μετρώντας αυτή τη συχνότητα και συγκρίνοντάς την με αυτή μιας αναφοράς—συνήθως, τον πυρήνα ενός ατόμου άνθρακα-12, που ορίζεται ως 12 μονάδες ατομικής μάζας.

Κανένα πείραμα όμως δεν είναι τέλειο. Τα μαγνητικά πεδία ποικίλλουν σε χρόνο και χώρο, προκαλώντας μικρά σφάλματα μέτρησης. Για να μειώσει τον αντίκτυπο αυτών των διακυμάνσεων, μια ομάδα φυσικών που εργάζονταν στο Mainz της Γερμανίας, φόρτωσαν τον πυρήνα του άνθρακα και το πρωτόνιο σε ξεχωριστές παγίδες αποθήκευσης και στη συνέχεια τα μετέφεραν γρήγορα μέσα και έξω από την παγίδα μέτρησης. Αν και η εναλλαγή του πυρήνα και του πρωτονίου απαιτούσε περισσότερα από 30 λεπτά σε προηγούμενα πειράματα, η γερμανική ομάδα χρειάστηκε μόνο περίπου 3 λεπτά - περιορίζοντας τις πιθανότητες συσσώρευσης σφαλμάτων. Η ομάδα πρόσθεσε επίσης περισσότερους ανιχνευτές κίνησης στη διαμόρφωσή της, οδηγώντας σε μια μέτρηση με συνολική ακρίβεια 32 μερών ανά τρισεκατομμύριο.

Οι ερευνητές βρήκαν ότι η μάζα είναι 1,007276466583 μονάδες ατομικής μάζας. Αυτό είναι περίπου 30 δισεκατομμυριοστά του τοις εκατό χαμηλότερο από τη μέση τιμή από προηγούμενα πειράματα—μια φαινομενικά μικρή διαφορά που είναι στην πραγματικότητα σημαντική κατά τρεις τυπικές αποκλίσεις, αναφέρει η ομάδα αυτή την εβδομάδα στο Physical Review Letters . (Συγκριτικά, οι επιστήμονες συνήθως θεωρούν δύο τυπικές αποκλίσεις αρκετές ώστε ένα πειραματικό αποτέλεσμα να είναι στατιστικά σημαντικό.)

Ο Σβεν Στουρμ, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής Μαξ Πλανκ στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας και επικεφαλής της ομάδας, δεν είναι σίγουρος γιατί άλλοι ερευνητές μέτρησαν τόσο υψηλότερες μάζες, αλλά υποπτεύεται κρυφές πηγές λάθους. Προσθέτει, ωστόσο, ότι το αποτέλεσμα της ομάδας του συμφωνεί καλύτερα από τα προηγούμενα με τις πρόσφατες μετρήσεις της μάζας του ατόμου ηλίου-3, το οποίο αποτελείται από δύο πρωτόνια και ένα νετρόνιο.

Η γερμανική ομάδα σχεδιάζει τώρα να αυξήσει περαιτέρω την ακρίβεια μετρώντας το πρωτόνιο και το ιόν άνθρακα ταυτόχρονα σε ξεχωριστές παγίδες, οι οποίες θα εξαλείφουν την αβεβαιότητα λόγω των διακυμάνσεων του μαγνητικού πεδίου. Ένα μέλος της ομάδας θα προσπαθήσει επίσης να ζυγίσει το αντιπρωτόνιο - το αρνητικά φορτισμένο doppelganger του πρωτονίου. Ακόμη και μια μικρή διαφορά μεταξύ της μάζας του πρωτονίου και του αντιπρωτονίου θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί το σύμπαν που βλέπουμε αποτελείται από ύλη και η αντιύλη είναι εξαιρετικά σπάνια.

Ο Sturm θέλει επίσης άλλες ερευνητικές ομάδες να κάνουν ανεξάρτητες μετρήσεις, για να διασφαλίσουν ότι τα αποτελέσματα της ομάδας του δεν πάσχουν από κάποιο κρυφό σφάλμα. (Οι δύο κύριες ομάδες που παρέχουν προηγούμενες μετρήσεις δεν είναι πλέον ενεργές.) "Θα χαιρόμουν πολύ να δω περισσότερες ομάδες να κάνουν μετρήσεις σε αυτό το επίπεδο ακρίβειας, ώστε να μπορούμε πραγματικά να συγκρίνουμε τιμές και να βρούμε, ελπίζουμε, ότι είναι συνεπείς." λέει.

*Διόρθωση, 21 Ιουλίου, 12:45 μ.μ.: Αυτή η ιστορία έχει τροποποιηθεί για να διευκρινιστεί πώς λειτουργεί η παγίδα Penning και πώς οι ερευνητές μέτρησαν τις μάζες των σωματιδίων.