Die schrumpfenden Proton: Partikel ist kleiner als gedacht

Wie viele Protonen auf den Kopf einer Stecknadel tanzen können? Die Antwort ist nicht annähernd so einfach wie man denken könnte – und es könnte bieten neue Einblicke in eines der am meisten bewährten Theorien in der Physik.

Ein internationales Team von Wissenschaftlern vor kurzem versucht, herauszufinden, die tatsächliche Größe eines Protons, eine der Zutaten (zusammen mit Neutronen und Elektronen) der Atome, aus denen sich unser Körper und die Welt um uns herum.

Diese Woche in der Fachzeitschrift Science berichten, fanden die Forscher heraus, dass das Teilchen Radius 0,84087 Femtometer ist. Ein Femtometer entspricht einem Millionstel einer Milliardstel von einem Meter oder so klein, dass die Wellenlänge der Gamma-Strahlung 100 mal länger. Die neue Messung ist ca. 4 Percentsmaller als der derzeit anerkannten Radius des 0,8768 Femtometer, und dieser kleine Unterschied stellt ein Rätsel.

Die kleinere Größe ist korrekt, wenn etwas fehlt in Physiker Verständnis der Quantenelektrodynamik, die regelt, wie das Licht und Materie interagieren.

Proton-Fehler?

Aldo Antognini, ein Physiker an der Swiss Federal Institute of Technology und erste Autor des Papiers, sagte Livescience den Unterschied eines von drei Dingen bedeuten könnte.

Erstens wurden gibt es einige Fehler in der früheren Arbeit, wenn das nicht gegeben wie wahrscheinlich viele Male verschiedene Experimente wiederholt.

Die zweite Möglichkeit ist, dass ein Stück von den Berechnungen für das Proton Größe fehlt. "Vielleicht wir verstehen nicht vollständig Proton Struktur" Antogninisaid.

Die dritte Erklärung ist, dass die aktuellen Theorien der Quantenelektrodynamik irren, wenn Chancen, die schlank erscheinen, angesichts der Tatsache, dass die Theorie sehr gut funktioniert und es wurde viele Male getestet. [Verrückte Physik: die coolsten kleine Partikel in der Natur]

Dieses Ergebnis ist nicht das erste Mal eine Diskrepanz gezeigt hat. Im Jahr 2010 fand Antognini, arbeiten mit einem internationalen Team unter der Leitung von Randolf Pohl des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching, Deutschland, der Proton-Radius zu 0,84185 Femtometer zu sein schien.

Gewusst wie: ein Proton zu messen

Um die Größe eines Protons zu finden haben Wissenschaftler drei Methoden verwendet. Einer ist Elektronenstreuung: feuern negativ geladene Elektronen an positiv geladenen Wasserstoff-Atomkerne (Protonen) und messen, wie sie abgelenkt sind. Dann kann die Lichtstreuung geben eine Vorstellung davon, wie groß die Region positiv geladen ist.

Die zweite Methode ist, wieviel Energie es braucht, um ein Elektron Umzug in verschiedenen orbitalen Regionen rund um einen Kern zu messen. In der Regel bleiben die Elektronen in Regionen, die einer bestimmten Entfernung vom Kern sind. Steigern Sie ihre Energie und sie werden begeistert und verschieben in eine andere Region, Orbital genannt. Die Elektronen dann in ihrer unaufgeregten Staaten zurückfallen und emittieren ein Photon. Durch Betrachtung, wie viel Energie es braucht, um ein Elektron von einer Bahn auf eine höhere Energie, und die Wellenlänge des Photons emittiert, wenn das Elektron wieder auf seine energieärmeren orbitale sinkt zu bewegen, ist es möglich, ein Proton Größe zu schätzen.

Schließlich beinhaltet die Methode in der letzten Reihe von Experimenten, myonischen Wasserstoff, der ein Proton mit ein Myon, anstatt eines Elektrons, umkreist es ist. Wie Elektronen Myonen sind negativ geladen, aber sie sind 207 mal schwerer. Damit fliegen sie näher an das Proton, und es braucht mehr Energie um sie zu höheren Energie-orbitale zu verschieben. Die größere Energie Unterschiede erleichtern das Messen. Brennen eines Lasers an der myonischen Wasserstoff reizt das Myon, verschieben auf einen anderen Orbital. Das Myon fällt dann zurück in den energieärmeren Zustand, eine Röntgen-Photonen emittieren.

Die ersten beiden Methoden in Jahrzehnten gekommen mit dem größeren Wert für den Radius des Protons. Die letztere Methode, die Wissenschaftler sagen, eine geringere Unsicherheit hat, fand die kleineren. Diese Berechnungen sind jedoch sehr komplex.

Neue Proton Maßnahme

Antognini Team, Durchführung von Experimenten am Paul Scherrer Institut in der Schweiz, hat nicht nur das myonischen Wasserstoff-Experiment ein zweites Mal, nahmen auch Schritte Unternehmen, um eine genauere Messung zu gewährleisten. Die Diskrepanz blieb. "Vielleicht gibt es etwas in [Proton] Struktur nur von Myonen hervorgehoben," sagte Antognini. [Seltsam: Top 10 unerklärliche Phänomene]

Das ist, warum der neue Wert erweist sich als solch ein Geheimnis. Quantenelektrodynamik (QED) ist wahrscheinlich Recht, und es ist auch nicht wahrscheinlich, dass die frühere Experimente waren, dass durch einfache Fehler viel falsch machen, Experten sagen.

"Es könnte einige fehlende Begriffe in den Berechnungen", sagte Helen Margolis, Wissenschaftler am National Physical Laboratory in Großbritannien, wer nicht an der Forschung beteiligt war. "QED, unglaubliche Levels bisher getestet wurde, aber die mathematische Grundlagen ist nicht so sicher, wie Sie mögen."

Chad Orzel, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie am Union College und Autor von "Wie zu lehren, Physik, Your Dog" (Scribner, 2010), sagte, die Ergebnisse sind gut für Physik im Allgemeinen wegen der Fragen, die sie aufwerfen. "Es ist wirklich langweilig, wenn alle Messungen und Theorie miteinander übereinstimmen. Diese Art von Meinungsverschiedenheiten gibt uns etwas zu erzählen, die das Higgs-Boson nicht."

Anmerkung der Redaktion: dieser Artikel wurde aktualisiert, um die Definition von Femtometer zu korrigieren.

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