Mycket av modern vetenskap förlitar sig på exakta grundläggande värden för universella konstanter, som accelerationen på grund av tyngdkraften eller Plancks konstant. Ett annat av dessa nummer som vi söker precision på är en protons radie. Jan C. Bernauer och Randolf Pohl beslutade att hjälpa till att minska protonradievärdet i ett försök att förfina viss partikelfysik. Tyvärr fann de istället en fråga som inte lätt kan avfärdas: Deras upptäckt är bra för 5 sigma ett resultat så säker på att sannolikheten för att det händer av en slump är bara 1 miljon. Oh Jösses. Vad kan göras för att lösa detta (Bernauer 34)?

Bakgrund

Vi kanske måste titta på kvantelektrodynamik, eller QED, en av de bäst förståda teorierna inom hela vetenskapen (i väntan på denna undersökning) för några möjliga ledtrådar. Det har sina rötter 1928 när Paul Dirac tog kvantmekanik och slog dem samman med särskild relativitet i sin Dirac-ekvation. Genom det kunde han visa hur ljus kunde interagera med materien, vilket också ökade vår kunskap om elektromagnetism. Under åren har QED visat sig vara så framgångsrikt att de flesta experiment i fältet har en osäkerhet om fel eller mindre än en biljon! (Ibid)

Så naturligtvis kände Jan och Randolf att deras arbete bara skulle stärka en annan aspekt av QED. Trots allt gör ett annat experiment som bevisar teorin bara starkare. Och så fortsatte de med att skapa en ny installation. Med hjälp av elektronfritt väte ville de mäta energiförändringarna som det genomgick när väte samverkade med elektroner. Baserat på atomens rörelse kunde forskare extrapolera storleken på protonradie, som först hittades med normalt väte 1947 av Willis Lamb genom en process som nu kallas Lamb Shift. Detta är verkligen två separata reaktioner under spel. Den ena är virtuella partiklar, som QED förutspår kommer att förändra elektronernas energinivåer, och den andra är proton / elektronladdningsinteraktioner (Bernauer 34, Baker).

Naturligtvis är dessa interaktioner beroende av naturen hos elektronmolnet runt en atom vid en viss tidpunkt. Detta moln påverkas i sin tur av vågfunktionen, vilket kan ge sannolikheten för en elektrons placering vid en viss tidpunkt och atomtillstånd. Om man råkar befinna sig i ett S-tillstånd, bearbetar atomen en vågfunktion som har ett max vid atomkärnan. Detta innebär att elektroner har en möjlighet att hittas inuti med protoner. Beroende på atomen, när kärnans radie växer, ökar också chansen för en interaktion mellan protoner och elektroner (Bernauer 34-5).

Elektronspridning. |

Även om det inte är en chockerare, är kvantmekaniken för en elektron som befinner sig i kärnan inte ett problem med sunt förnuft och en Lamb Shift kommer in och hjälper oss att mäta en protons radie. Elektronen i omloppsbana upplever faktiskt inte den fulla kraften hos protonladdningen i de fall då elektron är i kärnan, och därför minskar den totala styrkan mellan protonen och elektronen i sådana fall. Ange en orbitalförändring och en Lamb Shift för elektronen, vilket kommer att resultera i en energidifferens mellan 2P och 1S-tillståndet på 0, 02%. Även om energin ska vara densamma för en 2P- och en 2S-elektron, är det inte på grund av denna Lamb Shift, och att veta den till en hög precision (1/10 15 ) ger oss tillräckligt noggranna data för att börja dra slutsatser. Olika protonradievärden står för olika skift och Pohl hade under en åttaårsperiod fått avgörande och konsekventa värden (Bernauer 35, Timmer, Baker).

Den nya metoden

Bernauer beslutade att använda en annan metod för att hitta radien med hjälp av spridningsegenskaper hos elektroner när de passerade genom en väteatom, även en proton. På grund av elektronens negativa laddning och protonens positiva laddning, skulle en elektron som passerar en proton lockas till den och få sin väg att avvika. Denna avböjning följer naturligtvis bevarandet av fart, och en del av det kommer att överföras till protonen med tillstånd av en virtuell proton (en annan kvanteffekt) från elektron till proton. När vinkeln vid vilken elektronen sprids från ökar, ökar momentumöverföringen också medan våglängden för den virtuella protonen minskar. Dessutom, ju mindre din våglängd, desto bättre är bildens upplösning. Tyvärr skulle vi behöva en oändlig våglängd för att fullständigt avbilda en proton (även när ingen spridning inträffar, men då skulle ingen mätning ske i första hand), men om vi kan få en som bara är lite större än en proton kan vi få något åtminstone att titta på (Bernauer 35-6, Baker).

Därför utnyttjade teamet lägsta möjliga momentum och utökade sedan resultaten till ungefär en spridning på 0 grader. Det första experimentet gick från 2006 till 2007, och de kommande tre åren ägnades åt att analysera resultaten. Det gav till och med Bernauer en doktor D. Efter att dammet sänktes, visade sig protonradie vara 0, 8768 fentometrar, vilket var i överensstämmelse med tidigare experiment med vätespektroskopi. Men Pohl beslutade att använda en ny metod med en muon, som har 207 gånger massan hos en elektron och sönderfaller inom 2 * 10-6 sekunder, men annars har samma egenskaper. De använde detta i experimentet istället, vilket gjorde det möjligt för muon att komma 200 gånger närmare vätet och därmed få bättre avböjningsdata och öka risken för att muon går in i protonen med cirka en faktor 200 3 eller 8 miljoner. Varför? Eftersom den större massan möjliggör en större volym och därmed möjliggör mer plats att täckas när det passerar. Och utöver detta är Lamb Shift nu 2%, mycket lättare att se. Lägg till ett stort vätemoln och du ökar chansen att samla in data kraftigt (Bernauer 36, Pappas, Baker, Meyers-Streng).

Med detta i åtanke gick Pohl till Paul Scherrer-institutets accelerator för att avfyra sina muoner i vätgas. Muonerna, som är samma laddning som elektroner, skulle avvisa dem och potentiellt pressa dem ut och tillåta muon att röra sig in och skapa en muonisk väteatom, som skulle existera i ett mycket upphetsat energitillstånd under några nanosekunder innan det faller tillbaka till en lägre energitillstånd. För sitt experiment såg Pohl och hans team till att ha muon i 2S-tillstånd. Efter att ha kommit in i kammaren skulle en laser väcka muon in i en 2P, som är för hög energinivå för att muon kan uppträda inne i protonen, men när den interagerar nära den och med Lamb Shift i spel, kunde den hitta sin väg där. Förändringen i energi från 2P till 2S kommer att berätta för oss vilken tid muon var i protonen, och därifrån kan vi beräkna protonradie (baserat på hastighet vid tiden och Lamb Shift) (Bernauer 36-7, Timmer " forskare ").

Nu fungerar detta bara om lasern är specifikt kalibrerad för ett hopp till en 2P-nivå, vilket betyder att den bara kan ha en specifik energiproduktion. Och efter att hoppet till en 2P har uppnåtts släpps en röntgenstråle med låg energi när återkomsten till 1S-nivån sker. Detta fungerar som en kontroll av att muon verkligen skickades till rätt energitillstånd. Efter många års förfining och kalibrering, liksom att vänta på en chans att använda utrustning, hade teamet tillräckligt med data och kunde hitta en protonradie på 0, 8409 ± 0, 004 fentometrar. Vilket gäller, eftersom det är 4% rabatt från det fastställda värdet men den använda metoden var tänkt att vara tio gånger så exakt som föregående körning. Faktum är att avvikelsen från den etablerade normen är över sju standardavvikelser. Ett uppföljningsexperiment använde en deuteriumkärna istället för en proton och kretsade igen en muon runt den. Värdet var fortfarande annorlunda än väntat till 7, 5 standardavvikelser. Det betyder att det inte är statistiska fel utan att istället innebär att något är fel (Bernauer 37-8, Timmer "Väte", Pappas, Timmer "Forskare").

En del av experimentet. |

Normalt skulle denna typ av resultat indikera något experimentfel. Kanske gjordes ett programfel eller en eventuell felberäkning eller antagande. Men uppgifterna gavs till andra forskare som körde siffrorna och kom fram till samma slutsats. De gick till och med över hela installationen och fann inga underliggande fel där. Så forskare började undra om det kanske finns någon okänd fysik som involverar muon- och protoninteraktioner. Detta är helt rimligt, för det magnetiska muonmomentet matchar inte vad Standardteorin förutspår (Bernauer 39, Timmer "väte", Pappas).

Muonic väte och protonradie pussel |

Faktum är att Roberto Onofrio (från universitetet i Padova i Italien) tror att han kanske skulle ha gjort det. Han misstänker att kvanttyngd som beskrivs i gravitoweak-enhetens teori (där tyngdkraften och svaga krafter är kopplade) kommer att lösa skillnaden. Du ser, när vi kommer till en mindre och mindre skala, fungerar Newtons gravitationsteori mindre och mindre, men om du kunde hitta ett sätt att ställa det proportionella svaga kärnkrafter uppstår möjligheter, nämligen att den svaga kraften bara är ett resultat av kvanttyngd. Detta beror på de små Planck-vakuumvariationer som skulle uppstå från att vara i en kvantsituation på så liten skala. Det skulle också ge vår muon extra bindande energi utöver Lamb Shift som skulle vara smakbaserad på grund av de partiklar som finns i muon. Om detta är sant, bör uppföljning av muonvariationer bekräfta resultaten och ge bevis för kvanttyngd. Hur coolt skulle det vara om tyngdkraften verkligen binder laddning och massa så här? (Zyga, resonans)

Citerade verk

Baker, Amira Val. "The Puzzle of the Proton Radius." Resonance.is. Resonance Science Foundation. Webb. 10 oktober 2018.

Bernauer, Jan C och Randolf Pohl. The Proton Radius Problem. Scientific American Feb. 2014: 34-9.Print.

Meyer-Streng. "Krymp protonen igen!" innovation-report.com . innovationsrapport, 6 oktober 2017. Webben. 11 mars 2019.

Pappas, Stephanie. Mysteriskt krympande proton fortsätter till pusselforskare. Livescience.com . Inköp, 13 april 2013. Webben. 12 februari 2016.

Resonance Science Foundation. "Proton Radius Prediction and Gravitational Control." Resonance.is . Resonance Science Foundation. Webb. 10 oktober 2018.

Timmer, John. Hydrogen Made with Muons avslöjar Proton Size Conundrum. arstechnica . com . Conte Nast., 24 jan. 2013. Webben. 12 februari 2016.

---. "Forskare kretsar om en muon runt en atom, bekräftar att fysiken är trasig." arstechnica.com . Conte Nast., 11 augusti 2016. Web. 18 september 2018.

Zyga, Lisa. Proton Radius Puzzle kan lösas av Quantum Gravity. Phys.org. ScienceX., 26 november 2013. Webben. 12 februari 2016.