수소 원자의 전자 오비탈의 확대 / 이미지 물리학 자들은 2013 년에 수소 원자를 이용한 충돌 실험 결과 거의 10 년 동안 양자의 반경 .APS / Alan Stonebraker
토론토 요크 대학교 물리학 자들은 8 년 동안 세 심하게 민감한 실험을 해결하기 위해 양성자의 전하 반경을 측정 여러 유사한 실험으로 얻은 상충되는 가치 지난 10 년 동안 수행되었습니다. 그 수수께끼는 “양성자 반경 퍼즐.” 새로운 결과는 새로운 과학 논문, 양성자가 이전에 믿었던 과학자보다 훨씬 작습니다.
원자의 구조를 논의하는 대부분의 대중화 전자가 주변을 이동하는 많이 정렬 된 보어 모형에서 원형 궤도의 핵. 물리학의 관문 약 으로서는 괜찮습니다. 말하자면 양자 역학은 우리에게 훨씬 더 정확한 (이상하지만) 설명. 전자는 실제로 공전하지 않습니다 핵; 그것들은 기술적으로 입자와 유사한 파도입니다 위치를 결정하기 위해 실험을 수행 할 때의 속성. 원자를 공전하는 동안 그것들은 상태의 중첩에 존재합니다. 입자와 파동을 모두 포함하는 파동 함수 한 번에 그 위치의 확률. 측정이 무너집니다 전자의 위치를 알려주는 파동 함수. 시리즈 만들기 이러한 측정을 수행하고 그 결과로 발생하는 다양한 위치를 구성합니다. 퍼지 궤도 같은 패턴과 비슷한 것을 만들어냅니다.
양자 이상도 양성자까지 확장됩니다. 기술적으로 강한 핵에 의해 묶인 3 개의 하전 된 쿼크로 만들어 짐 힘. 그러나 구름처럼 퍼지입니다. 그리고 우리는 어떻게 구름의 반경? 물리학자는 전하 밀도에 의존하여 구름에서 물 분자의 밀도와 비슷합니다. 반경 양성자는 전하 밀도가 아래로 떨어지는 거리입니다 특정 에너지 임계 값. 그리고 그것을 측정하는 것이 가능합니다 전자가 양성자와 상호 작용하는 방법을 연구함으로써 전자 산란 실험 또는 전자 또는 뮤온 사용 원자 에너지의 차이를 보는 분광학 레벨. (노벨상 수상자 인 월리스의 이름을 따서 “램 시프트”라고합니다 1947 년 처음 교대를 측정 한 어린 양. 전자와 양성자의 양성자 내부를 포함하여 그 지역 내부.
수소 원자는 단일 양성자를 가진 가장 간단한 핵입니다 전자에 의해 궤도를 돌고 있습니다. 그래서 물리학 자들은 양성자의 전하 반경을 측정하기 위해 실험에 사용되었습니다. 오랫동안 받아 들여진 가치는 .876 펨토 미터- “세계 충분한 오차 막대를 가진 다양한 측정의 평균 ” 향후 측정을 위해.
확대 / York University 실험실에서 그룹 리더 인 Eric 용기. University
뮤온 분광법 측정은 그들의 실험을 위해 Max의 물리학 자들은 플랑크 양자 광학 연구소는 뮤온 수소를 사용하여 뮤온으로 핵을 공전하는 전자, 전자 더 무겁고 (매우 짧은) 형제. 거의 200 배이기 때문에 전자보다 무겁고 궤도가 훨씬 작기 때문에 내부에있을 가능성이 훨씬 높습니다 (천만 번) 양성자. 그리고 그것은 측정 기술은 양성자.
Randolf Pohl, 원래의 물리학 자 중 한 명 2010 년 실험, 2013 회의에서 기본 개념 설명 미국 물리학 회의 “양성자가 공의 전자가 양성자를 통해 춤추면서 “양자 중심에있을 때 똑같이 끌립니다 모든면에서 요금이 주변에 있으므로 그물이 없습니다. 양성자와 무온 사이의 매력. 이것은 전체 에너지를 이동 상태. 그것이 우리가 레이저로보고있는 효과입니다 두 에너지의 차이를 측정 할 때 분광학 레벨 : 전자가 양성자의 내부와 외부에있을 때 ”
물리학 자들은 불확실성이 적은 이전 실험과 같은 양성자. 그곳에 질량과 수명 이외의 차이가 없어야합니다. 이론적으로 전자와 뮤온. 대신에 그들은 0.841 펨토 미터의 상당히 작은 양성자 반경, 0.00000000000003 밀리미터 작음, 기존 외곽 에러 바. 표준 편차는 다른 방법으로 얻은 가치.
“확실히 작은 크기가 올바른 크기입니다. ”
Pohl et al. 데이터를 확인하고 다시 확인하는 데 수년이 걸렸으므로 그것이 실험적인 오류이거나 기초 이론이 양자 전기 역학 (QED) 문제와 함께) 어떻게 든 잘못 적용되었습니다 – 그것은 중요한 것입니다. 이론가들은 QED를 조정해야할지 고민했다 muon의 특성에 약간의 차이가있을 수 있습니다. 가장 흥미로운 가능성 : 이것은 새로운 물리학의 힌트 일 수 있습니다 표준 모델을 넘어서는 이것은 항상 가능성이 가장 낮았습니다 설명과 그 이후 10 년 동안 아마도.
다양한 그룹에 의한 후속 측정은 결정적이지 않았습니다. 더 크거나 작은 값이 올바른지 예를 들어 2013 년 같은 국제 팀이 무언 기반으로 공연 2010 년 가치를 확인한 실험에서 양자의 반경에 대한 0.84 유량계의 측정 7 시그마의 불일치. 2016 년의 또 다른 실험 변형 중수소 원자에서 전자를 뮤온으로 대체하는 것 중성자와 양성자가있는 수소의 무거운 동위 원소 전자. 아이디어는 중성자의 존재가 변할 것이라는 것이 었습니다 전자와 뮤온이 양성자의 전하를 어떻게 인식하는지 그것도, 2010 년 결과와 일치했습니다.
그러나 일반 수소를 사용하여 두 가지 실험을 양성자 반경은 혼합 결과를 생성했습니다 : Theodor의 2017 년 연구 Hänsch 그룹 (Pohl 포함)도 2010 년 결과를 확인했습니다. 2018 년 측정이 이전보다 더 큰 값과 일치하는 동안 2010 년 실험. 요크 대학교 과학자들은 양성자 반경의 전자 기반 측정을 선택했습니다. 2010 년 뮤온 기반 측정과 유사합니다. 다양한 상충되는 결과를 합의에 더 가깝게 만듭니다.
확대 / York University 팀의 측정 장치 N. 베지 노프 외 알 / 과학
뮤온 측정에는 큰 입자 가속기가 필요하지만 뮤온을 생산하기 위해 York University 팀은 탁상 실험-다소 큰 탁상을 사용하지만 약 4 미터 (13 피트). 그리고 그들은 의도적으로 모든 편견을 막기위한 블라인드 측정, 최종적으로 그들이 불과 몇 주 전에 8 년 동안 측정 한 가치 출판을 위해 논문 제출 “어려움은 우리가 복잡하거나 그룹 리더 인 Eric은 Hessels. “8 년 동안 많은 사람들이 큰 보살핌을 보냈습니다 측정의 모든 측면을 이해함으로써 실수를 저지른 가능성을 조심스럽게 제거하십시오. ”
결과 : 0.833 펨토 미터 측정 1 조 미터)는 2010 년 연구. 그것은 표준 모델과 나쁜 소식에 희소식입니다. 흥미 진진한 물리학을 원하는 사람들에게 “왜냐하면 직접 비교해 보면 확실히 더 작은 크기는 올바른 크기입니다. “라고 Hessels는 말했습니다. 다른 그룹의 실험이 현재 진행 중이며 그는 그 결과가 흐르면 커뮤니티는 합의에 수렴합니다. 앞으로 몇 년 동안.
“기본적으로 우리는 모든 법이 물리학, 그리고 아무도 할 수없는 불일치가있는 경우 물리 법칙이 아닌 가능성을 설명 이해했다 “고 말했다. 실험. “양자에 대해 더 작은 크기에 동의한다면 우리가 이해하는 또 다른 빌딩 블록이되어 우리는 다른 것들을 테스트하기 위해 수소 원자를 사용합니다 : 더 높은 정밀도에서의 양자 전기 역학 이� 표준 모델 이외의 다른 것이 있는지 여부 물리학.”
DOI : Science, 2019. 10.1126 / science.aau7807 (소개 DOIs).
