Користејки нов метод за мерење преку електронско расејување „Експериментот за одредување на протонскиот радиус“ (PRad) при установата-акцелератор „Томас Џеферсон“ на минситерстовото за енергетика на САД, по половина век доби нова вредност за радиусот на протонот.
Резултатот, неодамна објавен во Nature е плод на едно од најточните мерења направени со електронско расејување. Новата добиена вредност за протонскиот радиус е 0,831 fm што е помалку од предходната вредност добиена со електронско расејување – 0,88 fm, и е во согласност со неодамнешните резултати добиени со мионска атомска спектроскопија.
„Среќни сме што по години тешка работа нашата соработка завршува со добар резултат кој ќе помогне во решавањето на загатката на протонскиот радиус“ вели Ашот Гаспариан, професор на државниот универзитет А&T во Северна Каролина и портпарол на соработката.
Сета видлива материја во универзумот е изградена врз облак од три кваркови врзани заедно од страна на силното заемодејство. Сеприсутниот протон кој се наоѓа во јадрото на секој атом е предмет на бројни студии и експерименти кои се обидуваат да ги откријат неговите тајни. Сепак, неочекуваниот резултат од експеримент кој се обиде да ја измери големината на овој облак како квадратен корен од аритметичката средина на квадратите на радиусот на полнежот ги обедини атомските и нуклеарни физичари во бура од активности за повторна проверка на ова основно својство на протонот.
До 2010 најпрецизните мерења за радиусот на протонот беа направени со две различни методи. Во експериментите со електронско расејување, електроните се испукуваат кон протоните и радиусот на полнежот на протонот се одредува преку промената во патот на електроните по отскокнувањето или расејувањето од протонот. Во мерењата со атомска спектроскопија се набљудува транзицијата низ енергетските нивоа од страна на електроните ( во форма на фотони кои ги оддаваат при преминот ) додека орбитираат околу мало јадро. Јадрата кои типично се набљудуваат се оние на водород (со еден протон) или деутериум (протон и еден неутрон). И двете методи даваа резултат од за радиусот од околу 0,88 fm.
Во 2010 атомските физичари објавија резултати добиени користејки нов метод. Овој пат ја мереа транзицијата меѓу енергетските нивоа на електроните во орбита околу лабораториски создадени атоми на водород кои наместо орбитирачки електрон имаа мион, кој орбитира многу поблиску до протонот и е посензитивен на радиусот на полнежот на протонот. Добиениот резултат бил 4% помал од предходно – 0,84 fm.
Во 2012 започна соработката предводена од Гаспариан во лабораторијата Џеферсон со цел да се реобмислат методите со електронско-расејување за добивање нови и попрецизни мерења за радиусот на полнежот на протонот. Експериментот PRad доби приоритет како еден од првите експерименти изведен по надградбите на акцелеретаорот со континуиран електронски зрак. Експериментот беше изведен во експерименталниот хол Б при лабораторијата Џеферсон во 2016.
„Кога го започнавме овој експеримент луѓето трагаа по одговори. Многу скептици не веруваа дека уште еден експеримент со електронско расејување ќе доведе до нешто ново.“ вели Гаспариан. „Ако сакате да добиете нешто ново, мора да измислите нови алатки, некој нов метод. Ние го сторивме тоа – направиме експеримент кој е комплетно различен од останатите со електронско расејување.“
Тимот искористи три нови техники за подобрување на прецизноста на мерењата. Првата била имплементацијата на нов тип на систем за мета без прозорци финансиран од „Националната фондација за инструменти за големи истражувања во науката“, развиен, изработен и опериран од страна на групата одговорна за изработка на метата при лабораторијата Џеферсон.
Системот испушта изладен водороден гас дирекно во текот на забрзаните електрони од 1,1 и 2,2 GeV и им овозможува на расјеаните електрони да стигнат до детекторите скоро без пречки.
„Кога велиме без прозорци мислиме на тоа дека цевката е во директен контакт со вакуумот на акцелераторот. Кога станува збор за електронско расејување под прозорец се подразбираат металните покривки на краевите на цевката кои во случајов се отстранети.“ вели Дипангкар Дута, ко-портпарол на експериментот и професор на државниот универзитет на Мисисипи.
„Ова е прв пат некој да постави мета од проточен гас на патот на зракот во лабораторијата Џеферсон“ велат Хаијан Гао, ко-портпарол на експериментот и Хенри Њусон, професор при универзитетот „Дјук“. „Вакуумот беше добар, па можевме да имаме електронски зрак кој минува низ нашата мета при изведбата на експериментот со тоа што направивме дупка во влезната фолија и уште една во излезната. Во суштина зракот дојде дирекно до водородниот гас без да мине низ било каков прозорец.“
Следната голема разлика беше користењето на калориметар наместо традиционално користениот магнетен спектрометар за детекција на расејаните електрони добиени при средбата на електроните од зракот со електроните или протоните на водородот. Пренаменетиот хибриден калориметар HyCal можел да ги измери енергиите и позициите на расејаните електрони додека ново изградениот гасен електронски умножувач (GEM) додатно ги детектирал позициите на електроните со поголема точност.
Податоците од двата детектори биле споредувани во моментот на нивно добивање дозволувајки им на нуклеарните физичари да ги класификуваат сите настани како електрон-електронско расејвуање или електрон-протонско расејување. Овој нов метод на класификација на настаните им овозможил на нуклеарните физичари да ги нормализираат податоците од електрон-протонското расејување во однос на електрон-електронското расејување, намалувајки ја експерименталната несигурност и зголемвуајки ја прецизноста.
Последното големо подобрување било поставувањето на детекторите експремно блиску во аголно растојание во однос на локацијата на контакт на електронскиот зрак со водородната мета. Тимот успеал да го намали растојанието до помалку од еден степен.
„При електронско расејување за да се екстрахира радиусот мора да создадеме што помал агол на расејување“ вели Дута. „За да се добие протонскиот радиус треба да се екстраполира до нулти агол, што не може да се добие во експеримент. Така што поблиску доаѓаме до нула толку подобро.“
„Регионот кој го истражувавме е во таков преден агол и на толку мал квадрат од трансферот на четири-димензионален импулс што досега никогаш не бил достигнат при елетрон-протонско расејување.“ додава Махбуб Кандакер, ко-портпарол на експериментот и професор на државниот универзитет на Ајдахо.
Соработниците велат дека резултатот е уникатен бидејки користи нови техники со електронско-расејување за одредување на радиусот на полнежот на протонот. Сега ги очекуваат споредбите на резултатите со оние од новите спектроскопски одредувања на протонскиот радиус и останатите мерења со електроснко и мионско расејување кои се изведуваат низ целиот свет. Нивниот резултат исто така нуди нови информации за претпоставената нова природна сила која беше предложена при откритието на загатката на протонскиот радиус.
„Кога прв пат се појави загатката за протонскиот радиус во 2010 имаше надеж дека можеби сме откриле петта сила на природата која се однесува различно во однос на електроните и мионите“ вели Дута. „Но експериментот PRad и става крај на оваа можност.“
Според нив наредниот чекор е да се размисли за изведба на додатни истражувања користејки го новиот експериментален метод за да се постигнат уште попрецизни мерења на оваа и сродни теми како радиусот на деутеронот, јадрото на деутериумот.
„Има големи шанси дека постои можност за подобрување на нашите мерења за фактор од два или можеби повеќе“ вели Гао.
Извор: www.phys.org
Превод: Максим Осман-Николов
