چرا تعیین اندازه پروتون دشوار و مهم است


تصویر هنری کوارک ها و گلوئون هایی که پروتون را تشکیل می دهند.تصویرگری D. Dominguez / CERN

مندر آزمایشی که اخیراً در م Instituteسسه اپتیک کوانتوم ماکس پلانک در آلمان انجام شد ، الکسی گرینین فیزیکدان و همکارانش یک قدم به حل یکی از مهمترین معماهای فیزیک ذرات در دهه گذشته نزدیک شدند. معما این است: معمولاً هنگامی که اندازه یک چیز را اندازه گیری می کنید ، انتظار می رود که همان جواب را بگیرید ، مهم نیست که از چه اندازه ای استفاده می کنید – نوشابه می تواند قطری داشته باشد ، چه آن را با یک نوار اندازه گیری کنید یا کولیس (در البته به شرطی که به درستی کالیبره شوند). اگر تلاشهای اندازه گیری شما بسته به تجهیزات بتوانند پاسخهای مختلفی را ارائه دهند ، مشکلی پیش خواهد آمد ، اما این دقیقاً همان چیزی است که در تلاشهای زیادی برای اندازه گیری درجه فضایی یک پروتون اتفاق افتاده است. آنچه بالقوه در معرض خطر است درک ما از عناصر سازنده واقعیت است: اندازه گیری های مختلف می تواند وجود نیروها یا ذرات جدید را نوید دهد.

“ذره” قابل اندازه گیری برای ذره زیر اتمی به چه معناست؟ از نظر ریاضی ، ذرات بنیادی به عنوان ذرات نقطه ای ایده آل می شوند ، به این معنی که تا آنجا که می توانیم بگوییم ، آنها هیچ درجه و زیر ساخت مکانی قابل تفکیکی ندارند. درست است که همه ذرات بنیادی توسط یک بسته موج مکانیکی کوانتومی متصل می شوند ، که دارای درجه مکانی است و به انرژی ذره بستگی دارد. با این حال این بیت های اصلی لگو اجسامی هستند که بسته های موجی آنها را می توانید به طور کوچکی در منطقه مورد نظر خود بسته بندی کنید قبل از اینکه مفهوم هندسه پیوستار ، در مقیاس پلانک آغاز شود ، تا معنی خود را از دست بدهد. ذرات بنیادی به چیزی شبیه به یک جدول کوچک تناوبی – متشکل از ذرات مختلف تحمل کننده نیرو ، مانند فوتونها و گلونها (ذرات قوی هسته دار) ، همراه با سه نسل کوارک و لپتون و جرم تولید کننده بوزون هیگز سازمان یافته اند و می توانند در ترکیبات مختلف در کنار هم قرار گرفته و باغ وحشی از ذرات به اصطلاح مرکب را تشکیل می دهند.

کمتر از یک در حدود تریلیون شانس وجود دارد که این اختلاف می تواند یک اتفاق آماری باشد.

شاید مشهورترین و همه گیرترین آنها پروتون باشد. با حداقل یک عنصر در هر نوع ، از دو کوارک رو به بالا و یک کوارک رو به پایین تشکیل شده است که در مداری کاملاً متصل به همدیگر می رقصند و توسط تبادل گلوئون حفظ می شود. این فرایند تبادل چنان پرانرژی است که بیشتر جرم پروتون (یا در نتیجه بیشتر مواد تشکیل دهنده ما) از انرژی موجود در این گلوئون ها حاصل می شود – نتیجه آن ، همانطور که انیشتین به ما اطلاع داد. ، از جانب ای برابر بودن با مک2.

ذرات بنیادی در چیزی مشابه جدول کوچک تناوبی (بالا) سازمان یافته اند.CERN

بنابراین پرسیدن اینکه “اندازه” پروتون چقدر است بی معنی نیست. مطالعه توسط تیم گرینین این واقعیت را تأیید می کند که تعریف این مفهوم همچنان یک کار پیچیده است. و ، همانطور که خواهیم دید ، نتایج آنها باعث تشدید این رمز و راز می شود که چرا سایر روشهای اندازه گیری قبلاً متناقض استفاده شده اند.

فیزیکدان می تواند به طور منطقی اندازه پروتون را از “شعاع بار” – درجه تقریباً متوسط ​​مکانی مدار کوارک در داخل – استنباط کند. این مقدار هنگامی که پیکربندی های مداری آنها را مطالعه می کنید ، کمی متفاوت از الکترونها و میونها (نوع دیگری از ذرات اساسی) مورد مطالعه قرار می گیرد ، زیرا آنها با پروتون “حالتهای مقید” را تشکیل می دهند – هیدروژن اتمی در مورد الکترون ، هیدروژن میون در مورد میمون از آنجا که میونها حدود 200 برابر سنگین تر از الکترون هستند ، تنظیمات مداری کم انرژی آنها بسیار محکم تر از الکترونهای هیدروژن اتمی به دور پروتون متصل می شوند. بنابراین ، تفاوت در انرژی اوربیتالهای مختلف در هیدروژن میون نسبت به اندازه پروتون بسیار حساس تر است و آنها “بالاتر” از هیدروژن اتمی معمولی هستند.

به عبارت دیگر ، همانطور که کشیدن سیم گیتار در ولتاژ معین ، اگر آن را مختل کنیم یا در 1/200 از طول باز آن ، نت بسیار بالاتری ایجاد می کند ، فرکانسهای تابشی تابشی که از طریق انتقال هیدروژن میون ایجاد می شود ، حدود 200 است. بار بالاتر از هیدروژن اتمی است. این فرکانس ها به چیزی به نام ثابت ریدبرگ – کشش سیم گیتار بر حسب قیاس – مربوط می شوند ، که به نظر می رسد یکی از منابع قابل توجه مهم عدم قطعیت اندازه پروتون باشد. سطح انرژی مداری هم به این ثابت و هم به شعاع بار پروتون بستگی دارد.

اندازه گیری اندازه پروتون برای چندین دهه درگیری نبوده است. روشهای مختلف – از جمله اندازه گیری شعاع با مشاهده الکترونها در مدار در اتمهای هیدروژن یا پراکنده کردن الکترونهای انرژی از پروتونهای غیرمحدود – به 0.875 (دادن یا گرفتن 0.006) فمومتر همگرا شده بودند. این کمی کمتر از یک تریلیون میلی متر است. این همگرایی در سال 2010 با انتشار مقاله ای با عنوان “اندازه پروتون” شکسته شد. همانطور که محققان گزارش دادند ، اندازه گیری های انجام شده با تنظیمات مداری در هیدروژن میون ، مقدار 0.842 را باز می گرداند ، 0.001 فمومتر را می دهد یا می گیرد. این ممکن است تفاوت زیادی به نظر نرسد ، اما نوارهای خطای همراه مهم هستند. اندازه گیری ها به صورت جداگانه آنقدر دقیق هستند که اختلاف آنها از هفت انحراف استاندارد فراتر می رود – از هر تریلیون شانس وجود اختلاف کمتر از یک مورد است که اختلاف تصادفی آماری باشد.

اگر تجهیزات مورد استفاده در آزمایش ها و کالیبراسیون آنها پس از کنترل دقیق بررسی شود ، فقط دو احتمال برای نتیجه غیرعادی وجود دارد. یا ترکیبی از ثابتهای فیزیکی که محققان برای نتیجه گیری آزمایشی در مورد شعاع بار پروتون پیشنهاد می دهند ، دقیقاً همانطور که فکر کردیم شناخته شده نیست ، یا اینکه در نحوه تعامل میونها با پروتونها در مقایسه با الکترونها چیز دیگری وجود دارد. که فیزیک ذرات را ناقص می کند.

احتمال دوم ، اگر توجیه شود ، البته باعث هیجان در بین فیزیکدانان نظری خواهد شد ، حداقل به دلیل اینکه می تواند وجود نیروها و ذرات جدید را پیش فرض بگذارد. این نه تنها درک ما از جهان را تغییر شکل می دهد ، بلکه بازگشت به روزهایی است که فیزیکدانان با استفاده از تجهیزاتی که می توانند روی یک میز ضرب المثل قرار بگیرند ، ذراتی (مانند خود میون) را کشف کردند.

بگیر ناوتیلوس بولتن

جدیدترین و محبوب ترین مقالات در صندوق ورودی شما تحویل داده می شوند!

در چند سال گذشته ، تیم های مختلف سعی کرده اند تا با بررسی انتقال مداری مختلف در هیدروژن اتمی که به ترکیبات مختلف ثابت ریدبرگ و شعاع بار حساس هستند ، به اصل موضوع برسند. اندازه گیری سال 2019 توسط گروهی از محققان در دانشگاه یورک در کانادا ، یک انتقال مداری خاص را که مستقل از مقدار این ثابت است ، بررسی کرد و مقدار 0.1033 fem 0.333 فمومتر ، مطابق با مقدار کمتری را که در هیدروژن میون بدست آمد ، یافت.

تیم گرینین یک قدم جلوتر رفت. آنها از روشی استفاده کردند که به طیف سنجی شانه فرکانسی معروف است. این شامل پالس هایی از نور لیزر است که سوپاپیسی از فرکانس های به همان اندازه فاصله دارند – اگر بخواهید آمبولانس در فضای فرکانس است – به آنها امکان می دهد دو انتقال مداری مختلف را در هیدروژن اتمی در نظر بگیرند ، به دو ترکیب مختلف اندازه پروتون و ثابت ریدبرگ حساس هستند. این به آنها اجازه می داد هر دو را با دقت بی سابقه ای شناسایی کنند. این تکنیک عدم قطعیت مشاهده ای در فرکانس نوری را که این انتقال ها از خود ساطع می کنند ، تقریباً به یک در ده تریلیون کاهش می دهد – درجه حیرت انگیز دقت با هر استاندارد.

تیم گرینین نه تنها مقداری برای شعاع بار پروتون برابر با مقدار بدست آمده در هیدروژن میون یافتند ، بلکه مقدار بسیار دقیق تری را برای ثابت ریدبرگ نتیجه گرفتند. این بخشی از اختلاف مشاهده شده در اندازه گیری های دیگر هیدروژن اتمی را نشان می دهد (که نشان می دهد مقدار دقیق کمتری است).

بنابراین ، به نظر می رسد که مقدار آزمایشی شعاع بار پروتون به دست آمده توسط تیم گرینین در هیدروژن اتمی با مقادیر کوچکتر برای شعاع بار پروتون حاصل از محققان در ابتدا در هیدروژن میونی ، همگرا است. مقدار پایین قبلاً به عنوان یک مقدار رسمی در لیست ثابتهای توصیه شده فیزیکی انستیتوی ملی استاندارد و فناوری CODATA پذیرفته شده است – جایگاه رسمی رسمی شیمی دانان و فیزیکدانان هسته ای و اتمی.

اگرچه این همگرایی ، مبتنی بر بهبود مستمر تکنیک های تجربی ، فیزیک جدیدی را که ممکن است برخی امیدوار باشند ، به بار نیاورد ، اما حتی مأیوس ترین فیزیکدان نظری نیز می تواند هنر تجربی را تشخیص دهد ، که به نظر می رسد سوال را به نتیجه می رساند. آنچه حل نشده باقی مانده است دلیل اینکه اندازه گیری ها با اتکا به روشهای مختلف طیف سنجی در هیدروژن اتمی مقادیر مختلفی برای شعاع بار پروتون می دهند. در حال حاضر ، رمز و راز ، و همراه با آن امید کمرنگ فیزیکدانان ذرات ، همچنان پابرجاست.

این انگیزه کافی برای تیمی از فیزیکدانان نظری به رهبری کلیف برجس از انستیتوی محیط ، کانادا ، برای سیستماتیک کردن همه منابع احتمالی عدم اطمینان نظری در طیف سنجی اتمی در یک سری مقالات بود. با جداسازی روشهایی که از طریق آنها نیروها و ذرات جدید می توانند سیگنال بگذارند ، دستکش را به سختی به سمت آزمایشگران پرتاب می کنند. آزمایش های آینده ، مانند همیشه ، بهترین داور در این مورد خواهند بود.

سوبود پاتیل استادیار انستیتوی فیزیک نظری لورنز در دانشگاه لیدن است. او در مورد_subodhpatil توییت کرد.




منبع: khabar-shoma.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*