...μικρότερη βάσει μιας νέας μελέτης
Χρησιμοποιώντας μια νέα πρωτοποριακή μέθοδο στα τελευταία πενήντα χρόνια για τη μέτρηση του μεγέθους του πρωτονίου μέσω διασκορπισμού ηλεκτρονίων, η συνεργασία PRad παρήγαγε μια νέα τιμή για την ακτίνα του πρωτονίου σε ένα πείραμα που διεξήχθη στα εργαστήρια του National Accelerator Emergency Facility του Thomas Jefferson του Υπουργείου Ενέργειας.
Εικόνα:DOE's Jefferson Lab
Το αποτέλεσμα της μελέτης αυτής, η οποία δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Nature, είναι μια από τις πιο ακριβείς, μετρούμενη από πειράματα σκέδασης ηλεκτρονίων. Η νέα τιμή για την ακτίνα του πρωτονίου βρέθηκε να είναι 0.831 Φεμτόμετρα (8.309−13 μέτρα. Ονομάζεται Femtometre ή fm), η οποία είναι μικρότερη από την προηγούμενη τιμή σκέδασης των ηλεκτρονίων η οποία είναι 0.88 fm (8.8−16 μέτρα) και συμφωνεί με τα πρόσφατα αποτελέσματα της ατομικής φασματοσκοπίας.
"Είμαστε χαρούμενοι που τα χρόνια σκληρής δουλειάς της συνεργασίας μας φθάνουν στο τέλος τους με ένα καλό αποτέλεσμα το οποίο θα βοηθήσει αποφασιστικά στην επίλυση του αποκαλούμενου "αινίγματος ακτίνας πρωτονίων αγγλ.proton radius puzzle", δηλώνει ο Ashot Gasparian, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο A & T State College της Βόρειας Καρολίνας και εκπρόσωπος του πειράματος.
Όλη η ορατή ύλη στο σύμπαν είναι δομημένη πάνω σε ένα νέφος από τρία Κουάρκς δεσμευμένα μαζί με ισχυρή δυναμική ενέργεια Το πανταχού παρόν πρωτόνιο, το οποίο βρίσκεται στην καρδιά κάθε ατόμου, αποτέλεσε το αντικείμενο πολλών μελετών και πειραμάτων με στόχο την αποκάλυψη των μυστικών του. Ωστόσο, ένα απροσδόκητο αποτέλεσμα από ένα πείραμα για τη μέτρηση του μεγέθους του νέφους αυτού, με βάση την ακτίνα της μέσης τετραγωνικής φόρτισης, έχει ενώσει τους ατομικούς και πυρηνικούς φυσικούς σε ενα οργασμό δραστηριοτήτων, έτσι ώστε να επανεξετάσουν αυτή τη βασική ποσότητα του πρωτονίου.
Πριν από το 2010, οι πιο ακριβείς μετρήσεις της ακτίνας του πρωτονίου προήλθαν από δύο διαφορετικές πειραματικές μεθόδους. Στα πειράματα σκέδασης ηλεκτρονίων, τα ηλεκτρόνια εκτοξεύονται πάνω στα πρωτόνια, και η ακτίνα φόρτισης του πρωτονίου καθορίζεται από την αλλαγή της διαδρομής των ηλεκτρονίων μετά την αναπήδηση ή τη σκέδαση του πρωτονίου. Σε μετρήσεις ατομικής φασματοσκοπίας παρατηρούνται οι μεταβάσεις μεταξύ των επιπέδων ενέργειας από τα ηλεκτρόνια (με τη μορφή φωτονίων που εκπέμπονται από τα ηλεκτρόνια) καθώς περιστρέφονται γύρω από ένα μικρό πυρήνα. Οι πυρήνες που έχουν παρατηρηθεί τυπικά περιλαμβάνουν υδρογόνο (με ένα πρωτόνιο) ή δευτέριο (με ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο). Αυτές οι δύο διαφορετικές μέθοδοι απέδωσαν ακτίνα περίπου 0,88 φεμτόμετρων.
Το 2010, οι ατομικοί φυσικοί ανακοίνωσαν αποτελέσματα από μια νέα μέθοδο. Μέτρησαν τη μετάβαση μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων των ηλεκτρονίων σε τροχιά γύρω από εργαστηριακά κατασκευασμένα άτομα υδρογόνου που αντικατέστησαν ένα ηλεκτρόνιο σε τροχιά με ένα μιόνιο, το οποίο περιφέρεται πολύ πιο κοντά στο πρωτόνιο και είναι πιο ευαίσθητο στην ακτίνα φόρτισης του πρωτονίου. Το αποτέλεσμα αυτό απέδωσε μια τιμή που ήταν 4% μικρότερη από πριν, και η οποία βρέθηκε να είναι περίπου 0,84 φεμτόμετρα.
Το 2012, μια ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον Gasparian συναντήθηκε στο εργαστήριο Jefferson για να ανανεώσει τις μεθόδους σκέδασης ηλεκτρονίων με την ελπίδα να δημιουργήσει μια καινοτόμο και ακριβέστερη μέτρηση της ακτίνας φόρτισης του πρωτονίου. Στο πείραμα PRad δόθηκε προτεραιότητα προγραμματισμού ως ένα από τα πρώτα πειράματα για την λήψη δεδομένων και την ολοκλήρωση της λειτουργίας του μετά την αναβάθμιση των εγκαταστάσεων του επιταχυντή Continuous Electron Beam, ενός φορέα του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (US DOE) για έρευνες σχετικά με την πυρηνική φυσική. Το πείραμα έλαβε δεδομένα σκέδασης ηλεκτρονίων στην πειραματική αίθουσα Β του Εργαστηρίου Jefferson, το 2016.
"Όταν ξεκινήσαμε το πείραμα αυτό, οι επιστήμονες αναζητούσαν απαντήσεις. Αλλά κάνοντας ένα άλλο πείραμα σκέδασης ηλεκτρονίων-πρωτονίων, πολλοί σκεπτικιστές δεν πίστευαν ότι θα μπορούσαμε να κάνουμε κάτι νέο", λέει ο Gasparian. "Αν θέλετε να βρείτε κάτι καινούργιο, θα πρέπει να βρείτε κάποια νέα εργαλεία, κάποια νέα μέθοδο. Και το κάναμε - κάναμε ένα πείραμα που είναι εντελώς διαφορετικό από άλλα πειράματα σκέδασης ηλεκτρονίων".
Η συνεργασία καθιέρωσε τρεις νέες τεχνικές για τη βελτίωση ακρίβειας της νέας μέτρησης. Η πρώτη ήταν η εφαρμογή ενός νέου τύπου συστήματος στόχευσης χωρίς παράθυρα (windowless target system), το οποίο χρηματοδοτήθηκε από μια εθνική επιχορήγηση βασικών ερευνητικών ιδρυμάτων, και ήταν σε μεγάλο βαθμό ανεπτυγμένη, κατασκευασμένη και χειριζόμενη από την ομάδα στόχευσης του Jefferson Lab.
Η "στόχευση χωρίς παράθυρο Αγγλ.windowless target" ρέει ψυγμένο αέριο υδρογόνου κατευθείαν στη ροή των 1,1 και 2,2 Γιγα-Ηλεκτρονιοβόλτ (GeV) στα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια του CEBAF, επιτρέποντας στα σκεδασμένα ηλεκτρόνια να μετακινούνται σχεδόν απρόσκοπτα στους ανιχνευτές.
"Όταν λέμε χωρίς παράθυρο, εννοούμε ότι ο σωλήνας είναι ανοιχτός στο κενό του επιταχυντή. Το οποίο μοιάζει με παράθυρο - στη σκέδαση ηλεκτρονίων, ένα παράθυρο είναι ένα μεταλλικό κάλυμμα στο άκρο του σωλήνα το οποίο έχει αφαιρεθεί ", δηλώνει ο Dipangkar Dutta, ένας εκπρόσωπος του πειράματος και καθηγητής στο κρατικό πανεπιστήμιο του Μισισιπή.
"Έτσι λοιπόν είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες έβαλαν πράγματι έναν στόχο ροής αερίου στη γραμμή δέσμης στο εργαστήριο Jefferson", δηλώνουν ο Haiyan Gao, ένας συνεκπρόσωπος του πειράματος, και ο καθηγητής Henry Newson στο πανεπιστήμιο Duke. "Το κενό ήταν καλό, έτσι ώστε να κάνουμε τη δέσμη ηλεκτρονίων να περάσει από το στόχο μας, για να εκτελέσουμε το πείραμα, και στην πραγματικότητα κάναμε μια τρύπα στο φύλλο εισόδου και μια άλλη στο φύλλο εξόδου. Ουσιαστικά, η ακτίνα πέρασε κατευθείαν μέσα από το αέριο υδρογόνου, χωρίς να "δει" κανένα παράθυρο."
Η επόμενη μεγάλη διαφορά ήταν η χρήση θερμιδόμετρου (calorimeter) αντί του παραδοσιακά χρησιμοποιούμενου μαγνητικού φασματόμετρου για την ανίχνευση σκεδασμένων ηλεκτρονίων τα οποία προέρχονται από τα εισερχόμενα ηλεκτρόνια τα οποία χτυπάνε τα πρωτόνια ή τα ηλεκτρόνια του υδρογόνου. Το επαναπροσδιορισμένο υβριδικό θερμιδόμετρο HyCal μετρούσε τις ενέργειες και τις θέσεις των σκεδασμένων ηλεκτρονίων, ενώ ένας νεοεγκατεστημένος πολλαπλασιαστής ηλεκτρονίων αερίων, ο ανιχνευτής GEM, ανίχνευσε επίσης τις θέσεις των ηλεκτρονίων με ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια.
Τα δεδομένα και από τους δύο ανιχνευτές στη συνέχεια συγκρίθηκαν σε πραγματικό χρόνο, γεγονός που επέτρεψε στους πυρηνικούς φυσικούς να ταξινομήσουν κάθε συμβάν ως σκέδαση ηλεκτρονίων-ηλεκτρονίων ή σκέδαση ηλεκτρονίων-πρωτονίων. Αυτή η νέα μέθοδος ταξινόμησης των συμβάντων επέτρεψε στους πυρηνικούς φυσικούς να εξομαλύνουν τα δεδομένα σκέδασης ηλεκτρονίων-πρωτονίων σε δεδομένα σκέδασης ηλεκτρονίων-ηλεκτρονίων, μειώνοντας σημαντικά τις πειραματικές αβεβαιότητες, αυξάνοντας έτσι την ακρίβεια των πειραμάτων τους.
Η τελευταία σημαντική βελτίωση ήταν η τοποθέτηση αυτών των ανιχνευτών πολύ κοντά σε γωνιακή απόσταση από όπου η δέσμη ηλεκτρονίων χτύπησε το στόχο του υδρογόνου. Η συνεργασία ήταν σε θέση να τοποθετήσει τους ανιχνευτές σε εκείνη την απόσταση σε λιγότερο από μία μοίρα.
"Στη σκέδαση ηλεκτρονίων, προκειμένου να εξάγουμε την ακτίνα, πρέπει να φτάσουμε σε όσο το δυνατόν μικρότερη γωνία σκέδασης", δηλώνει ο Dutta. "Για να πάρετε την ακτίνα των πρωτονίων, θα πρέπει να το κάνετε με μηδενική γωνία, στην οποία δεν έχετε πρόσβαση σε ένα πείραμα. Έτσι, όσο πιο κοντά στο μηδέν μπορείτε να φθάσετε, τόσο το καλύτερο."
"Η περιοχή που διερευνήσαμε είναι σε μια τέτοια πρόσθια γωνία και σε μια τόσο μικρή τετραπλής-ορμής* (four-momentum) τετραγωνισμένη μεταφορά, στην οποία δεν έχει φτάσει μέχρι τώρα κανείς σε σκέδαση ηλεκτρονίων-πρωτονίων", προσθέτει ο Mahbub Khandaker, συνεκπρόσωπος στο πείραμα και καθηγητής στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Άινταχο.
Οι συνεργάτες του πειράματος λένε ότι το αποτέλεσμα είναι μοναδικό, επειδή χρησιμοποιήθηκε μια νέα τεχνική μέσω σκέδασης ηλεκτρονίων για να καθοριστεί η ακτίνα φορτίου του πρωτονίου. Τώρα, ανυπομονούν να συγκρίνουν το αποτέλεσμα με νέους φασματοσκοπικούς προσδιορισμούς της ακτίνας του πρωτονίου, και τις επερχόμενες μετρήσεις σκέδασης ηλεκτρονίου και μιονίου οι οποίες διεξάγονται σε όλο τον κόσμο.
Επιπλέον, το αποτέλεσμα αυτό ρίχνει νέο φως στην εικασία μιας νέας δύναμης της φύσης η οποία προτάθηκε όταν πρωτοεμφανίστηκε το αίνιγμα ακτίνας πρωτονίου.
"Όταν προέκυψε το αρχικό αίνιγμα ακτίνας πρωτονίου το 2010, υπήρχε ελπίδα στην κοινότητα ότι ίσως ανακαλύφθηκε μια πέμπτη δύναμη της φύσης, και ότι αυτή η δύναμη δρα διαφορετικά μεταξύ ηλεκτρονίων και μιονίων", δηλώνει ο Dutta. "Αλλά το πείραμα PRad φαίνεται να κλείνει την πόρτα σε αυτή τη δυνατότητα."
Λένε ότι το επόμενο βήμα είναι στο να ληφθεί υπόψιν η διεξαγωγή περαιτέρω ερευνών χρησιμοποιώντας αυτή τη νέα πειραματική μέθοδο, έτσι ώστε να επιτευχθούν ακόμη υψηλότερες μετρήσεις ακρίβειας πάνω σε αυτό και σε σχετικά θέματα, όπως η ακτίνα του δευτερίου, και ο πυρήνας του δευτερίου.
"Υπάρχει μια πολύ καλή ευκαιρία να βελτιώσουμε τις μετρήσεις μας κατά έναν παράγοντα δύο ή ίσως ακόμη περισσότερο", δηλώνει ο Gao.
Από το εργαστήριο Thomas Jefferson National Accelerator Facility
……………….Επεξηγήσεις………………..
*Στην ειδική σχετικότητα, η τετραπλή ορμή είναι η γενίκευση της κλασικής τρισδιάστατης ορμής στον τετραδιάστατο χωροχρόνο. Η ορμή είναι ένα διάνυσμα σε τρεις διαστάσεις. Ομοίως, η τετραπλή ορμή είναι ένα τετραπλό διάνυσμα στο χωροχρόνο.
……………….*………………..
Ενημερωθείτε για θέματα Αστρονομίας και Επιστήμης στις ομάδες μας στο
Facebook:
Και στο blog: Αστρονομία και Επιστήμη
Πηγές υπάρχουν επίσης και στις παραπομπές του κειμένου (οι λέξεις με τα
μπλε ή κόκκινα γράμματα)
Απόδοση στα Ελληνικά : Δημήτρης Γκίκας.
Για διορθώσεις
μετάφρασης ως προς το πρότυπο κείμενο, απορίες, ή συμπληρώματα, γράψτε
μας: gikasd63@hotmail.com η αφήστε μήνυμα inbox στη
Σελίδα:
Επίσης εάν θέλετε να δημοσιευτεί στο μπλόγκ μας κάποια δική σας εργασία,
άρθρο, ή paper σχετικά με την επιστήμη, αποστείλατε τα άρθρα αυτά συνοδευόμενα
απαραίτητα από τη σχετική βιβλιογραφία, και την σχετική έντυπη
άδεια σας για δημοσίευση στο μπλόγκ μας, στη
διεύθυνση: gikasd63@hotmail.com . Η δημοσίευση είναι εντελώς
δωρεάν.
Εάν, κατά την άποψή σας, υπάρχουν επιστημονικά λάθη στο πρότυπο κείμενο η
ομάδα μας δεν μπορεί να παρέμβει και να το αλλάξει χωρίς την συναίνεση του
αρθρογράφου. Για οποιαδήποτε τέτοια αλλαγή επικοινωνήστε με την πηγή του
άρθρου.
Το κείμενο υπόκειται σε επικαιροποίηση αν υπάρξουν έγκυρες διορθώσεις
ή νέα στοιχεία που αφορούν το θέμα του άρθρου.