O echipă internațională de fizicieni din Germania și Japonia a realizat cea mai precisă măsurătoare a masei atomice a protonului. Rezultatul obţinut este de trei ori mai precis în comparație cu valoarea masei protonului indicată în literatura de specialitate.

Protonul și neutronulProtonul este o particulă subatomică aflată în nucleul fiecărui atom. O imagine artistică a unui proton și a unui neutron. Credit: Joanna Griffin/Jefferson Lab/Penn State.

Protonul reprezintă nucleul atomului de hidrogen şi este una dintre particulele care formează toate celelalte nuclee atomice.

Masa protonului este un parametru important în fizica atomică, deoarece este unul dintre factorii care influenţează modul cum electronii se deplasează în jurul nucleului atomic. Acest lucru se poate observa în spectrele atomice, adică în lungimile de undă ale radiaţiei electromagnetice pe care atomii o pot absorbi sau emite. Prin compararea acestor lungimi de undă cu predicțiile teoretice este posibilă testarea unor teorii fizice fundamentale.

Mai mult, măsurătorile precise ale maselor atomice ale protonului și antiprotonului îi pot ajuta pe oamenii de ştiinţă să înţeleagă diferențele dintre materie și antimaterie.

Pentru a determina masa unui singur proton cu o precizie cât mai mare, fizicienii au realizat o capcană de protoni denumită capcană Penning.

„Într-o capcană Penning este posibil să se izoleze particule individuale încărcate electric, precum ar fi un proton, prin intermediul câmpurilor electrice și magnetice”.

„În interiorul capcanei Penning mişcarea particulelor este periodică fiind caracterizată de o anumită frecvență de oscilație”.

„Această frecvență poate fi măsurată și astfel putem calcula masa particulei. Pentru o măsurătoare de precizie a fost necesar să concepem o tehnică avansată de măsurare”, au explicat fizicienii.

Unitatea atomică de masă este o unitate de măsură pentru masă, care este utilizată în special pentru a indica masele atomilor, moleculelor și particulelor subatomice. Aceasta este definită ca fiind 1/12 din masa izotopului carbon-12.

Unitatea atomică de masă are valoarea:

1 u = 1,660 540 2(10) x 10-27 kg

„Am folosit unitatea atomică de masă pentru compararea rezultatelor”, a declarat Dr. Sven Sturm de la Max-Planck-Institut für Kernphysik din Heidelberg, Germania, un membru al echipei de fizicieni.

„Mai întâi am izolat un proton și un ion de carbon (12C6+) în compartimente separate ale dispozitivului nostru ce formează capcana Penning şi apoi am transferat fiecare dintre cele doi ioni în compartimentul central de măsurare al aparatului unde am măsurat mișcarea acestora”.

Din raportul celor două valori măsurate, cercetătorii au obținut masa protonului în unități atomice.

Masa protonuluiCompararea noului rezultat cu valorile anterioare pentru masa atomică a protonului. Credit: Heisse/PhysRevLett.119.033001.

Compartimentul de măsurare al aparatului a fost echipat cu dispozitive electronice special concepute în acest scop.

„Acesta ne-a permis să măsurăm protonul în condiţii identice cu ionul de carbon, în ciuda faptului că masa acestuia este de aproximativ 12 ori mai mică, iar sarcina electrică este de 6 ori mai mică”, a declarat Dr. Andreas Mooser, din cadrul Fundamental Symmetries Laboratory al RIKEN, Japonia.

Valoarea obţinută pentru masa protonului, în unităţi atomice de masă, a fost de 1,007276466583 (15) (29) şi aceasta este de trei ori mai precisă decât valoarea acceptată în prezent.

Cele două numere indicate în paranteze reprezintă incertitudinile statistice și sistematice ale măsurării.

Măsurătorile efectuate de alți fizicieni au evidenţiat discrepanțe în legătură cu masa atomului de tritiu (T), cel mai greu izotop de hidrogen și masa heliului ușor (3He) comparativ cu molecula de hidrogen „semigrea” HD.

„Rezultatul nostru contribuie la rezolvarea acestui puzzle, deoarece corectează masa protonului în direcția corectă”, a declarat Dr. Klaus Blaum din cadrul Max-Planck-Institut für Kernphysik, un alt membru al echipei de fizicieni.

Cercetarea a fost publicată în revista Physical Review Letters.

Sursă: Sci-News