Το πρωτόνιο χάνει μάζα: Νέα μέτρηση την υπολογίζει μικρότερη από την μέχρι σήμερα τιμή

Σχέδιο συσκευής παγίδας Penning για τη μέτρηση της μάζας
του πρωτονίου.

Τα διαφορετικά δυναμικά που εφαρμόζονται
στα κυλινδρικά ηλεκτρόδια (κίτρινο)

δημιουργούν δυναμικό παγίδευσης
που δείχνεται με την κόκκινη γραμμή.

Η πλέον ακριβής, μέχρι σήμερα, μέτρηση της μάζας του πρωτονίου βρίσκει μια τιμή που είναι σημαντικά χαμηλότερη από τις προηγούμενες εκτιμήσεις. Η γνώση της μάζας του πρωτονίου είναι κρίσιμη για την ανάλυση του ατομικού φάσματος καθώς επίσης για τον προσδιορισμό θεμελιωδών σταθερών, όπως η σταθερά Rydberg. Η νέα μέτρηση της μάζας του πρωτονίου από τους Sven Sturm και Klaus Blaum , του Ινστιτούτου Max Planck για την Πυρηνική Φυσική, στη Γερμανία, και τους συνεργάτες τους, είναι 3 φορές πιο ακριβής από παρατηρήσεις στο παρελθόν. Η τιμή της ομάδας – που ελήφθη με τη σύγκριση της κίνησης ενός πρωτονίου σε μαγνητικό πεδίου με αυτή ενός ιόντος άνθρακα – είναι σημαντικά μικρότερη από ότι η τρέχουσα εκτίμηση του διεθνούς προτύπου.

Ακριβείς μετρήσεις της μάζας του πρωτονίου τυπικά γίνονται με τις παγίδες Penning, που είναι συνδυασμός (μαγνητικού και ηλεκτρικού) πεδίων. Όταν τοποθετηθεί σε μια τέτοια παγίδα, ένα πρωτόνιο ταλαντώνεται μπρος-πίσω μέσα στο δυναμικό του ηλεκτρικού πεδίου, ενώ ακολουθεί ελικοειδή διαδρομή εξαιτίας του μαγνητικού πεδίου. Ενώ μόνο η μπρος-πίσω (αξονική) κίνηση μπορεί να ερευνηθεί άμεσα, η σύζευξη διαφορετικών τύπων ταλάντωσης επιτρέπει στους ερευνητές να εξάγουν την συχνότητα του κύκλοτρου με την οποία το πρωτόνιο περιφέρεται στο μαγνητικό πεδίο. Η συχνότητα αυτή είναι ανάλογη με το λόγο φορτίου προς μάζα του πρωτονίου. Για να ληφθεί η μάζα του πρωτονίου, η συχνότητα αυτή συγκρίνεται με αυτή ενός ιόντος αναφοράς, η μάζα του οποίου είναι γνωστή με όρους μονάδων ατομικής μάζας (ορίζεται ως 1/12_ο της μάζας του ατόμου του άνθρακα-12).

Ο Sturm και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν ιονισμένο άνθρακα (C 12, 6+) ως ιόν αναφοράς. Για να μειωθεί ο θόρυβος από αστάθειες των (ηλεκτρικού και μαγνητικού) πεδίων, η ομάδα μείωσε το χρόνο των μετρήσεων του πρωτονίου και του ιόντος χρησιμοποιώντας ξεχωριστά συστήματα αποθήκευσης για κάθε σωματίδιο. Επίσης ενίσχυσε την ευαισθησία της διάταξης συμπεριλαμβάνοντας ξεχωριστούς ανιχνευτές κίνησης για το πρωτόνιο και το ιόν. Τα αποτελέσματά τους για τη μέτρηση της μάζας του πρωτονίου – με ακρίβεια 32 μέρη στο τρισεκατομμύριο – διαφέρουν κατά 3 τυπικές αποκλίσεις με την τιμή της CODATA (Committee on Data for Science and Technology), που είναι μια συλλογή πολλαπλών μετρήσεων.

Το αποτέλεσμα (που είναι τρεις φορές πιο ακριβές) της νέας μέτρησης της μάζας του πρωτονίου είναι 1,007276466583(15)(29) μονάδες ατομικής μάζας. Οι τιμές στις παρενθέσεις αναφέρονται στις στατιστική και συστηματική αντίστοιχα αβεβαιότητες. Η νέα τιμή είναι σημαντικά μικρότερη από την τρέχουσα τιμή. Η ομάδα επιβεβαίωσε το αποτέλεσμά της εκτελώντας διάφορες διασταυρώσεις ελέγχου με διαφορετικά ιόντα.

Το πρωτόνιο είναι ο πυρήνας του ατόμου του υδρογόνου και είναι δομικό στοιχείο σε όλους τους άλλους πυρήνες. Έτσι, η μάζα του πρωτονίου είναι μια σημαντική παράμετρος στην ατομική φυσική: Μεταξύ άλλων πραγμάτων επηρεάζει το πώς κινούνται τα ηλεκτρόνια γύρω από τον ατομικό πυρήνα. Αυτό έχει αντανάκλαση στα φάσματα, δηλαδή στα χρώματα (μήκη κύματος) του φωτός που μπορούν να απορροφήσουν και να εκπέμψουν πάλι τα άτομα. Συγκρίνοντας αυτά τα μήκη κύματος με τις θεωρητικές προβλέψεις, είναι δυνατό να ελεγχθούν βασικές φυσικές θεωρίες. Επιπλέον, μια ακριβής σύγκριση των μαζών πρωτονίου και αντιπρωτονίου μπορεί να βοηθήσει στην έρευνα για κρίσιμες διαφορές – πέρα από το αντίθετο πρόσημο του φορτίου – μεταξύ ύλης και αντιύλης. Η διαφορά αυτή είναι ελάχιστη, αλλά πρέπει να υπάρχει, δεδομένου ότι το σύμπαν πρακτικά συνίσταται πλήρως από ύλη, αν και στη Μεγάλη Έκρηξη ύλη και αντιύλη πρέπει να έχουν διαμορφωθεί σε ίσες ποσότητες.