Μπορεί η δύναμη να είναι μαζί μας; Ακριβείς μετρήσεις δοκιμή κβαντική ηλεκτροδυναμική, περιορίζουν πιθανή πέμπτη θεμελιώδη
Η ακριβής μέτρηση παρέχει νέα εικόνα για τη φυσική του πρωτονίου
Οι ερευνητές συνεργασίας Alpha στο CERN μετρούν την ηλεκτρική και μαγνητική δομή του πρωτονίου.
Το πρωτόνιο, ένα από τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της ύλης, αποτελείται από ακόμη πιο θεμελιώδη σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ και γλάννες. Η δομή και η δυναμική του πρωτονίου είναι πολύπλοκες και εξακολουθούν να μην κατανοούνται πλήρως. Ωστόσο, η ακριβής γνώση αυτών των ιδιοτήτων είναι απαραίτητη για να κατανοήσουμε μια ποικιλία διαδικασιών, όπως η πυρηνική σύντηξη, η οποία είναι ένας υποσχόμενος υποψήφιος για να εξασφαλίσει την ενεργειακή μας προσφορά στο μέλλον ή τις ιδιότητες των αστεριών νετρονίων.
Οι ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες του πρωτονίου είναι από τα πιο βασικά χαρακτηριστικά του. Το ηλεκτρικό φορτίο και η μαγνητική ροπή, που περιγράφουν τη δύναμη του πρωτονίου ως μαγνήτη, μπορούν να μετρηθούν ακριβώς σε ειδικά πειράματα. Οι αποκλίσεις από τις ακριβώς προβλεπόμενες τιμές για το μέγεθος και τη μαγνητική αντοχή του πρωτονίου, όπως δίνεται από το θεμελιώδες πρότυπο μοντέλο φυσικής σωματιδίων, θα αποτελούσαν ένδειξη νέας φυσικής πέρα από το πρότυπο μοντέλο. Αυτά μέχρι στιγμής ανεξερεύνητα φαινόμενα αναμένεται να εμφανιστούν στις εξαιρετικά υψηλές κλίμακες ενέργειας και μήκους που χαρακτηρίζουν το πρώιμο σύμπαν, μικροδευτερόλεπτα μετά το Big Bang. Αποτελούν σημαντικές ποσότητες-στόχους για το ερευνητικό πρόγραμμα του Τμήματος Φυσικής Υψηλής Ενέργειας στο DESY, καθώς κατέχουν το κλειδί για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο σχηματίστηκε το σύμπαν μας.
Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τα μέλη του Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής (MPIK) και του Πανεπιστημίου του Mainz, που βρίσκονται στη Γερμανία, σε συνεργασία με συναδέλφους από άλλα ινστιτούτα, χρησιμοποίησαν τις μοναδικές ιδιότητες των ατόμων αντιϋδρογόνου για τη μέτρηση της μαγνητικής ροπής του πρωτονίου με πρωτοφανή ακρίβεια. Το αντιϋδρογόνο αποτελείται από ένα αντιπρωτόνιο και ένα αντιπρόσωπο (που ονομάζεται ποζιτρονό). Και οι δύο ομολόγοι έχουν ίση μάζα αλλά αντίθετα ηλεκτρικό φορτίο στους συνηθισμένους ομολόγους τους. Κατά συνέπεια, οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με αντιϋδρογόνο επιτρέπουν την απομόνωση και τον με ακρίβεια τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων πρωτονίων που είναι σκληρές ή αδύνατο να μετρηθούν άμεσα στο υδρογόνο.
Οι ερευνητές δημιούργησαν αντιϋδρογόνο στη συσκευή Alpha-2 στο Decelerator του αντιπρωτόνα του CERN. Η μαγνητική ροπή του πρωτονίου μετρήθηκε καθοδηγώντας τα αντιπρωτόνια μέσω ενός μαγνητικού πεδίου και παρατηρώντας τον τρόπο με τον οποίο οι περιστροφές τους αναστρέφονται όταν αντιστραφεί το μαγνητικό πεδίο. Το πείραμα ήταν προκλητικό, καθώς απαιτούνται περισσότερα από 10 εκατομμύρια αντιπρωτόνια μόνο για μία μόνο μέτρηση, ένας τεράστιος αριθμός θεωρώντας ότι η παραγωγή ενός μόνο αντιπρωτόνα συνήθως περιλαμβάνει εξελιγμένες διεργασίες πολλαπλών βημάτων που διαρκούν αρκετές ημέρες. Για να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια έξυπνη τεχνική "αντιϋδρογόνου-βόδιου". Αποθηκεύουν τα αντιπρωτόνια σε ένα περιβάλλον εξαιρετικά υψηλής βάσης για αρκετές εβδομάδες, γεγονός που επέτρεψε τη χρήση των συσσωρευμένων αντιπρωτόνων για πολλαπλές μετρήσεις παρά τα εξαιρετικά χαμηλά ποσοστά παραγωγής.
Ο συνδυασμός του νέου αποτελέσματος Alpha-2 και των προηγούμενων μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν στο Ινστιτούτο Paul Scherrer (Villigen, Ελβετία) αποδίδει την πιο ακριβή τιμή για τη μαγνητική ροπή του πρωτονίου μέχρι σήμερα και παρέχει μια αυστηρή δοκιμή κβαντικής ηλεκτροδυναμικής. Το αποτέλεσμα αντιπροσωπεύει μια σημαντική πρόοδο στην πορεία προς τον τελικό στόχο της συνεργασίας Alpha:μια σύγκριση ακριβείας μεταξύ των ιδιοτήτων του υδρογόνου και του αντιϋδρογόνου, οι οποίες θα αναζητήσουν συμβουλές νέων θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων και συμμετρικών.
