Маса протона стала точнішою

Протон істотно легше, ніж досі припускали. Це засвідчує найбільш точне вимірювання маси протона.
Виявлене розходження хоча і проявляється лише на дев’ятому знаку після коми, та відповідає трьом стандартним відхиленням, інформують вчені з Інституту ядерної фізики імені Макса Планка. Враховуючи фундаментальне значення маси протона, відкриття для фізики – дуже важливе.
Протон є одним з базових елементів матерії, разом з нейтроном він утворює атомне ядро елемента. Відповідно, властивості протона є важливими для базових фізичних принципів. Так, маса і радіус визначають, як електрон обертається навколо ядра. А це становить основу для сталої Рідберга – фізичної константи, що, зокрема, наділяє елементи спектральними лініями.
Масові відмінність між протоном і нейтроном грає визначальну роль у збереженні стабільності атомного ядра. Також протонна маса важлива як порівняльна величина в дослідженнях антиматерії. Адже в крихітних розходженнях маси між протоном і антипротоном теоретично можуть ховатися викривлення симетрії, що пояснило б, чому матерія в космосі домінує. Отже, важливо визначати масу протона максимально точно.
Однак з’ясувалося, що цей базовий показник вчені схильні переоцінювати. У своєму експерименті фізики на чолі з Свеном Штурмом (Sven Sturm) з Інституту ядерної фізики імені Макса Планка в Гайдельбергу визначили масу протона так точно, як ніколи раніше. Це стало можливим завдяки пастки Пеннінга – контейнері, в якому зависають частинки під дією електричного і магнітного полів. У пастці вони кружляють по спіралі. Суть в тому, що темп, з яким обертаються протони, прямо пропорційний його питомого електричного заряду.
Для своїх вимірів вчені поліпшили техніки вимірювання. Вони порівняли рух протонів з іоном вуглецевого ізотопу 12C (12C6+), завдяки чому змогли особливо точно визначити масу протонів.
«Спочатку ми зібрали протон і іон вуглецю 12C6+) в окремих відділах апаратури, необхідної для пастки Пеннінга, потім позмінно направляли іони до вимірювального ділянки, розташованого посередині, і вимірювали швидкість їх руху», – пояснив Штурм.
Результат: виміряна вченими маса протона дорівнює 1,007276466583 атомних одиниць маси (а.е.м.). Це істотно менше, ніж величина, яку досі використовували як референтну, – 1,007276466879 а.а.м. (нехай навіть різниця помітна лише на десятому знаку після коми, це суттєве відхилення, пояснюють вчені).
Тобто протон трошки легше, ніж досі припускали. Вчені пояснюють: так зміщуються важливі для поведінки атома співвідношення: між протоном і електроном, а також – протоном і нейтроном, хоча в останньому випадку мається тільки одне стандартне відхилення.
Щоб цілком упевнитися, що до заниженими показниками не призвели систематичні помилки при вимірюванні, вчені перевірили свої показники в кілька разів (у тому числі і порівнюючи поведінку різних іонів). Однак щоразу вони наражалися на ту саму низьку масу протона. «Ми не можемо знайти ніякої систематичної помилки в основі нашого підходу», – говорить Штурм з колегами.
Так, новий показник до 32 мільярдних часток більш точний, ніж попередній, тобто в три рази точніше, ніж результати всіх сучасних вимірів, повідомляють фізики. Вони впевнені: виведений показник ближче до опису цієї маси протона, ніж референтна величина.