Результат, недавно опубликованный в журнале Nature, является одним из наиболее точных результатов экспериментов по рассеянию электронов. Новое значение радиуса протона, которое было получено, равно 0.831 Фм, что меньше, чем предыдущее значение рассеяния электронов 0.88 фм и согласуется с недавними результатами мюонной атомной спектроскопии.
«Мы рады, что годы упорной работы нашего сотрудничества подошли к концу с хорошим результатом, который существенно поможет в решении так называемой загадки протонного радиуса», – говорит Ашот Гаспарян, профессор Государственного университета Северной Каролины. представитель эксперимента.
Вся видимая материя во Вселенной построена на облаке из трех кварков, связанных вместе сильной силовой энергией. Вездесущий протон, который находится в сердце 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 зарядового радиуса объединил физиков-атомщиков и ядерщиков в бурной активности по пересмотру этого основного количества протона.
До 2010 года наиболее точные измерения радиуса протона производились двумя разными экспериментальными методами.
В экспериментах по рассеянию электронов электроны стреляют в протоны, а зарядовый радиус протона определяется изменением пути электронов после того, как они отскакивают от протона или рассеиваются от него. В измерениях атомной спектроскопии наблюдаются переходы между уровнями энергии электронов (в форме фотонов, испускаемых электронами), когда они вращаются вокруг небольшого ядра.
Обычно наблюдаемые ядра включают водород (с одним протоном) или дейтерий (с протоном и нейтроном). Эти два разных метода дали радиус около 0.88 фемтометров.
В 2010 году атомные физики объявили о результатах нового метода. Они измерили переход между энергетическими уровнями электронов на орбите вокруг лабораторных атомов водорода, которые заменили вращающийся электрон на мюон, который вращается намного ближе к протону и более чувствителен к радиусу заряда протона.
Этот результат дал значение, которое было на 4% меньше, чем раньше, около 0.84 фемтометра.
В 2012 году группа ученых во главе с Гаспаряном собралась в лаборатории Джефферсона, чтобы обновить методы рассеяния электронов в надежде на создание нового и более точного измерения зарядового радиуса протона.
Эксперимент PRad получил приоритетное планирование как один из первых экспериментов по сбору данных и завершению его выполнения после модернизации комплекса Continuous Electron Beam Accelerator Facility, пользовательского центра DOE для исследований в области ядерной физики. В эксперименте были получены данные об электронном рассеянии в экспериментальном зале B лаборатории Джефферсона в 2016 году.
"Когда мы начали этот эксперимент, люди искали ответы.
Но чтобы провести еще один эксперимент по рассеянию электронов на протонах, многие скептики не поверили, что мы можем сделать что-то новое », – говорит Гаспарян. "Если вы хотите придумать что-то новое, вам нужно 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 безоконной целевой системы, которая финансировалась за счет гранта Национального научного фонда для крупных исследовательских инструментов и была в значительной степени разработана, изготовлена и эксплуатировалась целевой группой лаборатории Джефферсона.
Мишень без окон пропускала охлажденный водород прямо в поток CEBAF 1.1 и 2.2 ГэВ ускоряли электроны и позволяли рассеянным электронам почти беспрепятственно перемещаться в детекторы.
"Когда мы говорим без окон, мы говорим, что трубка открыта для вакуума ускорителя. Это похоже на окно, но при рассеянии электронов окно – это металлическая крышка на конце трубки, и она была удалена », – говорит Дипангкар Датта, со-спикер эксперимента и профессор Государственного университета Миссисипи.
«Так что это первый раз, когда люди на самом деле помещают мишень для потока газа в канал пучка в лаборатории Джефферсона», – говорит Хайян Гао, со-спикер эксперимента и профессор Генри Ньюсона в Университете Дьюка. «Вакуум был хорошим, так что мы могли пропускать пучок электронов через нашу мишень для проведения эксперимента, и у нас на самом деле есть отверстие во входной фольге, а другое – в выходной фольге.
По сути, луч просто проходил прямо в газообразный водород, не видя ни одного окна."
Следующим важным отличием было использование калориметра, а не традиционно используемого магнитного спектрометра для обнаружения рассеянных электронов, возникающих в результате столкновения входящих электронов с протонами или электронами водорода. Переоборудованный гибридный калориметр HyCal измерял энергии и положение рассеянных электронов, в то время как новый газовый электронный умножитель, детектор GEM, также обнаруживал положение электронов с еще более высокой точностью.
Затем данные с обоих детекторов 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 привести свои данные электрон-протонного рассеяния к данным электрон-электронного рассеяния, что значительно снизило экспериментальные неопределенности и повысило точность.
Последним значительным улучшением было размещение этих детекторов на очень близком угловом расстоянии от места попадания электронного пучка в водородную мишень. Сотрудничеству удалось сократить это расстояние до менее одного градуса.
«При рассеянии электронов, чтобы определить радиус, мы должны стремиться к как можно меньшему углу рассеяния», – говорит Датта. "Чтобы получить радиус протона, вам нужно экстраполировать на нулевой угол, который вы не можете получить в эксперименте. Итак, чем ближе к нулю вы сможете приблизиться, тем лучше."
«Область, которую мы исследовали, находится под таким прямым углом и с таким малым квадратом передачи четырех импульсов, что этого никогда раньше не было в электрон-протонном рассеянии», – добавляет Махбуб Хандакер, соавтор эксперимента и профессор из штата Айдахо. Университет.
Соавторы говорят, что результат уникален, потому что он использовал новый метод рассеяния электронов для определения зарядового радиуса протона. Теперь они с нетерпением ждут возможности сравнить результат с новыми спектроскопическими 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 выдвинута, когда впервые появилась загадка радиуса протона.
«Когда в 2010 году появилась загадка о радиусе протона, в сообществе появилась надежда, что, возможно, мы нашли пятую силу природы, что эта сила по-разному действует между электронами и мюонами», – говорит Датта. "Но эксперимент PRad, похоже, закрывает дверь для этой возможности."
Они говорят, что следующим шагом будет рассмотрение возможности проведения 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.
«Есть очень хорошие шансы, что мы сможем улучшить наши измерения в два или, может быть, даже больше», – говорит Гао.