Новое измерение дает меньший радиус протона

Физики становятся ближе к решению головоломки протонного радиуса с новым уникальным измерением радиуса заряда протона.

Используя первый за полвека новый метод измерения размера протона с помощью рассеяния электронов, ученые в новом эксперименте создали новое значение радиуса протона.

Используя первый за полвека новый метод измерения размера протона с помощью рассеяния электронов, коллаборация PRad позволила получить новое значение радиуса протона в эксперименте, проведенном в Национальном ускорительном центре Томаса Джефферсона при Министерстве энергетики.

Результат, недавно опубликованный в журнале Nature , является одним из самых точных из экспериментов по рассеянию электронов. Полученное новое значение радиуса протона составляет 0,831 фм, что меньше, чем предыдущее значение рассеяния электронов, равное 0,88 фм, и согласуется с последними результатами мюонной атомной спектроскопии.

«Мы рады, что годы напряженной работы нашего сотрудничества заканчиваются хорошим результатом, который критически поможет в решении так называемой головоломки протонного радиуса», — говорит Ашот Гаспарян, профессор Университета штата Северная Каролина A & T и представитель эксперимента.

Вся видимая материя во вселенной построена на облаке из трех кварков, связанных вместе энергией сильной силы. Вездесущий протон, который лежит в основе каждого атома, был предметом многочисленных исследований и экспериментов, направленных на раскрытие его секретов. Тем не менее, неожиданный результат эксперимента по измерению размера этого облака, с точки зрения его среднеквадратичного радиуса заряда, объединил физиков-атомщиков и атомщиков в волнении активности, чтобы пересмотреть это основное количество протона.

До 2010 года наиболее точные измерения радиуса протона проводились двумя различными экспериментальными методами. В экспериментах по рассеянию электронов электроны стреляют в протоны, и радиус заряда протона определяется изменением пути электронов после того, как они отскочили или рассеиваются от протона. В измерениях атомной спектроскопии переходы между энергетическими уровнями электронами наблюдаются (в форме фотонов, испускаемых электронами), когда они вращаются вокруг небольшого ядра. Ядра, которые обычно наблюдались, включают водород (с одним протоном) или дейтерий (с протоном и нейтроном). Эти два разных метода дали радиус около 0,88 фемтометров.

В 2010 году атомщики объявили результаты нового метода. Они измерили переход между энергетическими уровнями электронов на орбите вокруг лабораторных атомов водорода, которые заменили орбитальный электрон мюоном, который вращается намного ближе к протону и более чувствителен к радиусу заряда протона. Этот результат дал значение, которое было на 4% меньше, чем раньше, примерно на 0,84 фемтометра.

В 2012 году группа ученых под руководством Гаспаряна собралась в лаборатории Джефферсона, чтобы модернизировать методы рассеяния электронов в надежде произвести новое и более точное измерение радиуса заряда протона. Эксперимент PRad получил приоритетное планирование в качестве одного из первых экспериментов по сбору данных и завершению его работы после модернизации Ускорителя непрерывных электронных пучков, пользовательского УЭ для исследований в области ядерной физики. В эксперименте использовались данные рассеяния электронов в Экспериментальном зале B лаборатории Джефферсона в 2016 году.

«Когда мы начали этот эксперимент, люди искали ответы. Но чтобы провести еще один эксперимент по электрон-протонному рассеянию, многие скептики не верили, что мы можем сделать что-то новое», — говорит Гаспарян. «Если вы хотите придумать что-то новое, вы должны придумать какие-то новые инструменты, какой-то новый метод. И мы сделали это — мы провели эксперимент, который полностью отличается от других экспериментов по рассеянию электронов».

Сотрудничество установило три новых метода для повышения точности нового измерения. Первым было внедрение нового типа целевой системы без окон, которая финансировалась за счет гранта Национального исследовательского инструментария Национального научного фонда и была в значительной степени разработана, изготовлена ​​и эксплуатировалась целевой группой Jefferson Lab.

Мишень без окон направил охлажденный газообразный водород прямо в поток ускоренных электронов CEBAF с энергией 1,1 и 2,2 ГэВ и позволил рассеянным электронам двигаться почти беспрепятственно в детекторы.

«Когда мы говорим без окон, мы говорим, что трубка открыта для вакуума ускорителя. Это похоже на окно, но при рассеянии электронов окно представляет собой металлическую крышку на конце трубки, и те имеют был удален », — говорит Дипангкар Датта, сопредседатель эксперимента и профессор Государственного университета Миссисипи.

«Так что это первый раз, когда люди фактически ставят мишень для потока газа на линию луча в лаборатории Джефферсона», — говорит Хайян Гао, сопредседатель эксперимента и профессор Генри Ньюсона в университете Дьюка. «Вакуум был хорошим, так что мы могли иметь электронный луч, проходящий через нашу мишень для проведения эксперимента, и у нас фактически есть отверстие во входной фольге и другое отверстие в выходной фольге. По сути, луч просто проходил прямо через водород газ, не видя ни одного окна. «

Следующим важным отличием было использование калориметра, а не традиционно используемого магнитного спектрометра, для обнаружения рассеянных электронов, возникающих в результате попадания электронов на протоны или электроны водорода. Гибридный калориметр HyCal измерял энергию и положения рассеянных электронов, в то время как недавно построенный газовый электронный умножитель, детектор GEM, также обнаруживал позиции электронов с еще более высокой точностью.

Данные обоих детекторов затем сравнивались в реальном времени, что позволило физикам-ядерщикам классифицировать каждое событие как электрон-электронное рассеяние или электрон-протонное рассеяние. Этот новый метод классификации событий позволил физикам-ядерщикам нормализовать свои данные по электрон-протонному рассеянию на данные по электрон-электронному рассеянию, что значительно уменьшило экспериментальные неопределенности и повысило точность.

Последним значительным улучшением стало размещение этих детекторов на очень близком угловом расстоянии от того места, где электронный луч ударил по водородной мишени. Сотрудничество позволило сократить это расстояние до уровня менее одного градуса.

«При рассеянии электронов, чтобы извлечь радиус, мы должны использовать как можно меньший угол рассеяния», — говорит Датта. «Чтобы получить радиус протона, вам нужно экстраполировать на нулевой угол, к которому вы не можете получить доступ в эксперименте. Таким образом, чем ближе к нулю вы можете получить, тем лучше».

«Район, который мы исследовали, находится под таким прямым углом и при таком небольшом квадрате четырехимпульсной передачи, что он никогда не был достигнут ранее при электрон-протонном рассеянии», — добавляет Махбуб Хандакер, сопредседатель эксперимента и профессор в штате Айдахо. Университет.

Сотрудники говорят, что результат уникален, потому что он использовал новую технику рассеяния электронов для определения радиуса заряда протона. Теперь они с нетерпением ждут возможности сравнить результаты с новыми спектральными определениями радиуса протона и предстоящими измерениями рассеяния электронов и мюонов, которые проводятся во всем мире.

Кроме того, этот результат также проливает новый свет на гипотезу о новой силе природы, которая была предложена, когда впервые появилась головоломка с радиусом протона.

«Когда в 2010 году появилась загадка протонного радиуса, в сообществе появилась надежда, что, возможно, мы нашли пятую силу природы, что эта сила действует по-разному между электронами и мюонами», — говорит Датта. «Но эксперимент PRad, похоже, закрывает дверь для такой возможности».

Они говорят, что следующим шагом является рассмотрение вопроса о проведении дальнейших исследований с использованием этого нового экспериментального метода для достижения еще более точных измерений по этой и смежным темам, таким как радиус дейтрона, ядра дейтерия.

«Существует очень хороший шанс, что мы сможем улучшить наши измерения в два или даже больше раз», — говорит Гао.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены DOE / Thomas Jefferson National Accelerator Facility . Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. У. Сюн, А. Гаспарян, Х. Гао, Д. Дутта, М. Хандакер, Н. Лиянаге, Э. Пасюк, С. Пэн, Х. Бай, Л. Е., К. Гнанво, С. Гу, М. Левиллейн, Х. Ян, Д. Хигинботам, М. Мезиан, З. Е., К. Адхикари, Б. Альджаверн, Х. Бхатт, Д. Бхетувал, Дж. Брок, В. Беркерт, К. Карлин, А. Деур, Д. Di, J. Dunne, P. Ekanayaka, L. El-Fassi, B. Emmich, L. Gan, О. Glamazdin, ML Kabir, A. Karki, C. Keith, S. Kowalski, V. Lagerquist, I. Ларин, Т. Лю, А. Лиянаге, Дж. Максвелл, Д. Микинс, С. Дж. Назир, В. Нелюбин, Х. Нгуен, Р. Педрони, К. Пердрисат, Дж. Пирс, В. Пенджаби, М. Шабестари, А. Шахинян, Р. Сильвал, С. Степанян, А. Субеди, В. В. Тарасов, Н. Тон, Ю. Чжан, З. В. Чжао. Небольшой радиус заряда протона из эксперимента по электрон-протонному рассеянию . Природа , 2019; 575 (7781): 147 DOI: 10.1038 / s41586-019-1721-2