L’elio instabile aggiunge un limite all’epopea continua alle dimensioni del protone

I fisici, che hanno dedicato la loro vita allo studio dell’argomento, non sembrano apprezzare molto la fisica perché sperano sempre che si rompa. Ma dobbiamo perdonarli. Scoprire che una piccola teoria non può spiegare i risultati sperimentali è un segno che potremmo aver bisogno di una nuova teoria, ed è qualcosa che ecciterebbe qualsiasi fisico.

Negli ultimi anni, una delle cose che sembravano più fratturate è stata una misurazione apparentemente semplice: il raggio della carica di un protone, che è una misura della sua dimensione fisica. Le misurazioni effettuate con atomi di idrogeno, che hanno un singolo elettrone in orbita attorno a un protone, ci hanno dato una risposta. Le misurazioni in cui l’elettrone è stato sostituito da una particella più pesante, chiamata muone, ci hanno dato una risposta diversa e i risultati sono stati incoerenti. Sono stati fatti molti sforzi per rimuovere questa contraddizione e È diventato più piccoloMa non è scomparso.

Questo è ciò che fa venire l’acquolina in bocca ai teorici. Il modello standard non ha spazio per il tipo di differenze tra elettroni e muoni, quindi questo potrebbe essere un segno che il modello standard è sbagliato? Il team dietro alcune delle misurazioni precedenti è ora tornato con una nuova misurazione, monitorando il comportamento di un muone in orbita attorno a un nucleo di elio. I risultati sono coerenti con altre misurazioni del raggio della carica di elio, indicando che non c’è nulla di divertente nel muone. Così il modello standard può tirare un sospiro di sollievo.

Misurazione del muone?

La misurazione in questione è, in poche parole, piuttosto folle. I muoni sono fondamentalmente copie pesanti di elettroni, quindi sostituirli uno con l’altro in un atomo è relativamente semplice. La massa del muone offre alcuni vantaggi per questi tipi di misurazioni. La massa assicura che gli orbitali del muone siano infine compressi al punto che la loro funzione d’onda interferisce con la funzione d’onda del nucleo. Di conseguenza, il comportamento del muone quando orbita attorno al nucleo è molto sensibile al raggio della carica del nucleo.

Tutto ciò sarebbe bello se non fosse per il fatto che i muoni sono instabili e tipicamente decadono in meno di 2 microsecondi. Posizionarne uno in orbita attorno a un nucleo di elio aumenta le complicazioni, poiché l’elio di solito ha due elettroni in orbita e possono interagire tra loro. Le triple interazioni previste di un nucleo muone-elettrone sono attualmente al di là della nostra capacità di calcolo, il che significa che non avremo idea se il comportamento effettivo differisca dalla teoria.

Quindi i ricercatori hanno risolto questo problema creando uno ione caricato positivamente costituito da un nucleo di elio e un singolo muone in orbita attorno ad esso. Fare uno di questi – o più precisamente, realizzarne centinaia – è dove inizia la mania.

I ricercatori hanno avuto accesso al fascio di muoni creato dal collisore di particelle e hanno deciso di dirigere il fascio verso un po ‘di gas elio. Nel processo, quando i muoni entrano, hanno molta energia per rimanere in orbita attorno a un nucleo di elio, quindi rimbalzano, perdendo energia ad ogni collisione. Una volta che i muoni hanno rallentato abbastanza, possono entrare in un’orbita ad alta energia in un atomo di elio e, nel processo, scontrarsi con uno dei suoi elettroni. Ma il secondo elettrone è ancora lì, incasinando tutte le possibili misurazioni.

Ma il muone ha molto slancio a causa della sua massa e il trasferimento di energia all’interno dell’atomo è più veloce della perdita di energia nell’ambiente. Quindi, mentre il muone trasferisce parte della sua energia all’elettrone, la massa più piccola dell’elettrone assicura che questo sia sufficiente per far uscire l’elettrone dall’atomo, lasciandoci con uno ione muone di elio. Fortunatamente, tutto questo avviene abbastanza rapidamente che il muone non ha alcuna possibilità di decomporsi.

Che la follia abbia inizio

A questo punto, il muone si trova solitamente in un’orbita a bassa energia ma ha più energia dello stato fondamentale. I ricercatori hanno messo un trigger sensibile alla comparsa di muoni nell’esperimento. Dopo un ritardo per consentire ai muoni di espellere i due elettroni, il trigger fa sì che il laser colpisca il campione con la quantità appropriata di energia per spingere il muone dall’orbita 2S all’orbita 2P. Da lì, si decomporrà allo stato fondamentale e durante il processo rilascerà i raggi X.

Non ci saranno molti muoni nell’orbita 2S e il laser non avrà alcun effetto su di essi. I ricercatori erano disposti a sacrificare molto dell’elio muonico che avevano prodotto per avere misurazioni accurate per quelli che erano nello stato corretto. La loro presenza è stata segnalata mediante rilevamento a raggi X con energia appropriata. Per assicurarsi ulteriormente che stessero guardando la cosa giusta, i ricercatori hanno preso solo i dati associati a un elettrone ad alta energia prodotto dal decadimento del muone.

E ricorda, tutto questo doveva essere fatto abbastanza velocemente da accadere entro una finestra di tempo di millisecondi prima che il muone decadesse.

Il primo passo è stato quello di impostare il laser utilizzato sulla frequenza corretta per aumentare il muone nell’orbita 2P, perché questo è il valore che dobbiamo misurare. Ciò è stato fatto impostando un laser regolabile su una gamma di frequenze fino a quando l’elio ha iniziato a produrre raggi X. Una volta determinata la frequenza, i ricercatori hanno preso i dati per 10 giorni, sufficienti per misurazioni accurate della frequenza. Durante questo periodo, i ricercatori hanno osservato 582 ioni muone di elio.

Sulla base di calcoli che utilizzano la frequenza laser, i ricercatori hanno scoperto che il raggio di carica di un nucleo di elio è di 1,6782 femtometri. Le misurazioni effettuate facendo rimbalzare gli elettroni sul nucleo indicano 1.681. Questi due valori sono tra gli errori sperimentali, quindi sono fortemente concordati.

Siamo spiacenti, non era rotto

A livello più semplice, il fatto che le misurazioni dei muoni siano coerenti con le misurazioni effettuate indipendentemente indica che non c’è niente di speciale nei muoni. Pertanto, il modello standard, che dice la stessa cosa, rimane intatto nella misura piuttosto ridotta consentita dagli errori sperimentali. (Ciò non significa che non sia stato rotto altrimenti, ovviamente.) Quindi i teorici di tutto il mondo saranno delusi.

Intrattenimento a parte, i ricercatori hanno confrontato il suo valore con quello generato decenni fa negli acceleratori di particelle al CERN. Questo valore è risultato essere lo stesso, ma solo per caso, poiché il lavoro precedente aveva due errori di compensazione. I ricercatori notano che “il raggio di carica citato non è troppo lontano dal nostro valore”, ma che questo potrebbe essere fatto risalire alla coincidenza imbarazzante di un falso esperimento accoppiato con una previsione incompleta della teoria 2P-2S, per caso. – valore falso. ”Quindi, in questo caso, due errori ci hanno fatto quasi ragione.

Tuttavia, questo lavoro focalizzerà l’attenzione dei ricercatori sul tentativo di scoprire perché diversi esperimenti con i protoni continuano a produrre risultati che non sono del tutto d’accordo, poiché non possiamo incolpare le cose che il muone sia strano. Nel frattempo, possiamo tutti apprezzare quanto sia fantastico poter fare così tanto con i muoni in una frazione di secondo in cui si trovano.

Natura, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03183-1 (A proposito di DOI).