Protonen mindre än vi trott!

Illustration: Paul Scherrer Institutet

Det blev en hel del uppmärksamhet 2010 när en grupp forskare vid Paul Scherrer Institutet i Schweiz  presenterade sina slutsatser av spektroskopiska mätningar och beräkningar på  energiövergångar i myoniskt väte – en släkting till den vanliga väteatomen där elektronen bytts ut mot sin systerpartikel myonen. Forskarna  (Pohl et al. Nature, 466, 213) visade att överensstämmelse mellan teori och experiment bara kunde fås om man antog att protonen var något mindre än vad som tidigare tagits för givet.  Kärnans utsträckning har en liten men mätbar effekt på energinivåerna i alla atomer och väteatomen är ett enkelt system där beräkningar av denna effekt kan göras med stor precision. Det mest förbryllande var att samma typ av analys från mätningar på vanligt väte var en av källorna till den accepterade protonradien.

Noggrant utvärderade värden för viktiga naturkonstanter publiceras och uppdateras regelbundet av CODATA (www.codata.org) och den radie de rekommenderar är en sammanvägning av många mätningar  gjorda med såväl spektroskopi som med elektronspridning. Hela 24 mätningar av den första typen har använts  i bestämningen! Det nya värdet på protonens radie avvek dock med ett mycket stort antal standardavvikelser från det etablerade värdet.

Myonen är omkring tvåhundra  gånger mer massiv än elektronen och detta får också till följd att  dess bana  ligger  tvåhundra  gånger närmare  protonen. Därmed  påverkas myonen mycket mer av protonens utsträckning än fallet är för elektronen. Effekten på spektrallinjerna i myoniskt väte är faktiskt hela sju storleksordningar större än i vanligt väte. Detta är bakgrunden till det mycket precisa värde på protonradien som hävdas i artikeln från 2010.  Ändå var det nog många som förväntade sig att mysteriets upplösning skulle ha med tolkningen av mätresultaten på myoniskt väte att göra; denna tolkning kräver när allt kommer omkring kvantfältteorins fulla maskineri. Istället kom upplösning från ett helt annat håll.

I höstas presenterade forskare från Theodor W. Hänschs grupp, vid Max Planck Institutet för kvantoptik i Garching, en ny mätning av protonradien. Metoden var spektroskopi av vanligt väte (Science 358, 79), men med en ny twist. Saken är den att för att extrahera protonradien från spektroskopiska data så måste man känna andra naturkonstanter och Garching-gruppen insåg att Rydbergkonstantens värde här intar en särställning. Det värde som fås för protonradien är starkt korrelerat med  denna konstant. Den nya mätningen använder sig därför av två atomära övergångar i väte för att samtidigt kunna bestämma både protonradien och Rydbergkonstanten. De använder dels 1s-2s övergången som ärkänd med 15 siffror från frekvenskamsmätningar (utvecklingen av frekvenskammen var huvudargumentet för Hänschs Nobelpris 2005), och dels 2s-4p övergången som nu bestämts med en helt ny noggrannhet med hjälp av gruppens världsledande arsenal för precisionsspektroskopi. Den senare innefattar inte bara frekvenskammen utan också kalla väteatomer (5.8 K) som prepareras i 2s tillståndet genom Dopplerfri två-foton excitation och avancerad analys av spektrallinjernas profiler. Resultatet blev bestämning av övergången med en osäkerhet av två enheter i tolfte siffran och 2s-4p är plötsligt den näst bäst kända övergången i någon atom. När nu de två  precisionsmätta övergångarna kombineras kan både protonradien och Rydbergkonstanten bestämmas. Överraskande nog så överensstämmer den nya protonradien med den från myoniskt väte, medan såväl radien som Rydbergkonstanten avviker från de äldre spektroskopiskt bestämda värdena, och detta  med över tre standardavvikelser. Att protonradien skulle dra med sig Rydbergkonstanten, den bäst kända av alla naturkonstanter, i fallet var minst sagt oväntat! Helt och fullt är mysteriet med protonradien dock ännu inte löst. Det etablerade värdet i CODATA använder ju också resultat från elektronspridning, en helt annan experimentell metod. Nya experiment av den typen är på gång och det blir spännande att följa resultaten.

Och protonen då hur stor är den? Ja det sista budet är 0.8335(95) fm (där 1 fm = 10^(-15) meter).

Eva Lindroth
Styrelseledamot Fysikersamfundet

Share on FacebookShare on Google+Tweet about this on TwitterEmail this to someone

Vi flyttar!

Efter 36 år i USA flyttar vi nu GRC konferensen Multiphoton Processes till Europa. Vi gör det för att den amerikanska administrationen omöjliggör ett öppet samtal och gränsöverskridande forskning. GRC Multiphoton Processesär ett av de trevligaste och mest stimulerande mötena … Läs mer

Första NUSTAR-experimenten med FAIR

Den nya anläggningen FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) erbjuder spännande möjligheter för mer än 3000 forskare från omkring 50 länder. FAIR är för närvarande under uppbyggnad utanför Darmstadt, Tyskland och har acceleratoranläggningarna vid GSI (Gesellschaft fuer Schwerionenforschung, ett nationellt … Läs mer