Helium yang tidak stabil menambah batas ukuran epik yang sedang berlangsung ke ukuran proton

Fisikawan, yang telah mengabdikan hidupnya untuk mempelajari topik tersebut, tampaknya tidak terlalu menyukai fisika karena mereka selalu berharap topik itu rusak. Tapi kita harus memaafkan mereka. Penemuan bahwa teori kecil tidak dapat menjelaskan hasil eksperimen adalah tanda bahwa kita mungkin memerlukan teori baru, dan itu adalah sesuatu yang akan membangkitkan gairah fisikawan mana pun.

Dalam beberapa tahun terakhir, salah satu hal yang tampaknya lebih retak adalah pengukuran yang tampaknya sederhana: jari-jari muatan proton, yang merupakan ukuran ukuran fisiknya. Pengukuran yang dilakukan dengan atom hidrogen, yang memiliki satu elektron yang mengorbit proton, memberi kita satu jawaban. Pengukuran di mana elektron digantikan oleh partikel yang lebih berat, yang disebut muon, memberi kita jawaban yang berbeda – dan hasilnya tidak konsisten. Banyak upaya telah dilakukan untuk menghilangkan kontradiksi ini, dan Ini menjadi lebih kecilTapi itu tidak hilang.

Inilah yang membuat para teoretisi mengeluarkan air liur. Model Standar tidak memiliki ruang untuk jenis perbedaan antara elektron dan muon, jadi apakah ini pertanda bahwa Model Standar salah? Tim di balik beberapa pengukuran sebelumnya sekarang kembali dengan pengukuran baru, melacak perilaku muon yang mengorbit inti helium. Hasilnya konsisten dengan pengukuran jari-jari muatan helium lainnya, menunjukkan bahwa tidak ada yang lucu tentang muon. Jadi Model Standar bisa bernapas lega.

Pengukuran muon?

Sederhananya, pengukuran yang terlibat cukup gila. Muon pada dasarnya adalah salinan elektron yang berat, jadi mengganti satu sama lain dalam atom relatif sederhana. Massa muon memberikan beberapa keuntungan untuk jenis pengukuran ini. Massa memastikan bahwa orbital muon pada akhirnya dikompresi ke titik di mana fungsi gelombangnya mengganggu fungsi gelombang inti. Akibatnya, perilaku muon ketika mengorbit di sekitar nukleus sangat sensitif terhadap jari-jari muatan inti.

Semua ini akan bagus jika bukan karena fakta bahwa muon tidak stabil dan biasanya membusuk dalam waktu kurang dari 2 mikrodetik. Menempatkan salah satunya di orbit di sekitar inti helium meningkatkan komplikasi, karena helium biasanya memiliki dua elektron di orbit, dan mereka dapat berinteraksi satu sama lain. Interaksi rangkap tiga yang diharapkan dari inti elektron-muon saat ini berada di luar kemampuan kita untuk menghitung, yang berarti kita tidak akan tahu apakah perilaku sebenarnya berbeda dari teori.

Jadi para peneliti memecahkan masalah ini dengan menciptakan ion bermuatan positif yang terdiri dari inti helium dan satu muon yang mengorbitnya. Membuat salah satu dari ini – atau lebih tepatnya, membuat ratusan dari mereka – adalah tempat kegilaan dimulai.

Para peneliti memiliki akses ke berkas muon yang dibuat oleh penumbuk partikel, dan memutuskan untuk mengarahkan berkas tersebut ke beberapa gas helium. Dalam prosesnya, ketika muon masuk, ia memiliki banyak energi untuk tetap berada di orbit di sekitar inti helium, sehingga ia memantul, kehilangan energi dengan setiap tumbukan. Setelah muon cukup melambat, mereka dapat memasuki orbit berenergi tinggi dalam atom helium, dan bertabrakan dengan salah satu elektronnya dalam prosesnya. Tapi elektron kedua masih ada, mengacaukan pengukuran yang memungkinkan.

Tetapi muon memiliki banyak momentum karena massanya, dan transfer energi di dalam atom lebih cepat daripada kehilangan energi di lingkungan. Jadi, sementara muon mentransfer sebagian energinya ke elektron, massa elektron yang lebih kecil memastikan bahwa ini cukup untuk mengeluarkan elektron dari atom, meninggalkan kita dengan ion helium muon. Untungnya, semua ini terjadi cukup cepat sehingga muon tidak memiliki kesempatan untuk membusuk.

Biarkan kegilaan dimulai

Pada titik ini, muon biasanya berada pada orbit berenergi lebih rendah tetapi memiliki lebih banyak energi daripada keadaan dasar. Para peneliti memasang pemicu yang peka terhadap kemunculan muon dalam percobaan. Setelah penundaan untuk memungkinkan muon mengeluarkan dua elektron, pemicu menyebabkan laser mengenai sampel dengan jumlah energi yang sesuai untuk mendorong muon dari orbital 2S ke orbit 2P. Dari sana, ia akan terurai ke keadaan dasar, dan melepaskan sinar-X dalam prosesnya.

Banyak muon tidak akan berada di orbit 2S, dan laser tidak akan berpengaruh padanya. Para peneliti rela mengorbankan banyak muon helium yang telah mereka buat untuk mendapatkan pengukuran yang akurat bagi mereka yang berada dalam keadaan yang benar. Keberadaan mereka ditunjukkan dengan deteksi sinar-X dengan energi yang sesuai. Untuk lebih memastikan mereka melihat hal yang benar, para peneliti hanya mengambil data yang terkait dengan elektron berenergi tinggi yang dihasilkan oleh peluruhan muon.

Dan ingat, semua ini harus dilakukan cukup cepat agar terjadi dalam jendela waktu milidetik sebelum muon membusuk.

Langkah pertama melibatkan pengaturan laser yang digunakan ke frekuensi yang benar untuk meningkatkan muon di orbit 2P, karena ini adalah nilai yang perlu kita ukur. Ini dilakukan dengan menyetel laser yang dapat disesuaikan melintasi rentang frekuensi sampai helium mulai menghasilkan sinar-X. Setelah frekuensi ditentukan, para peneliti mengambil data selama 10 hari, yang cukup untuk pengukuran frekuensi yang akurat. Selama ini, para peneliti mengamati 582 ion helium muon.

Berdasarkan perhitungan menggunakan frekuensi laser, para peneliti menemukan bahwa radius muatan inti helium adalah 1,6782 femtometer. Pengukuran yang dilakukan dengan memantulkan elektron dari inti menunjukkan 1,681. Kedua nilai ini termasuk di antara kesalahan eksperimental, jadi keduanya sangat disepakati.

Mohon maaf, tidak rusak

Pada tingkat yang lebih sederhana, fakta bahwa pengukuran muon konsisten dengan pengukuran yang dilakukan secara independen menunjukkan bahwa tidak ada yang istimewa tentang muon. Jadi, Model Standar, yang mengatakan hal yang sama, tetap utuh sampai batas yang agak kecil yang dimungkinkan oleh kesalahan eksperimental di sini. (Itu tidak berarti itu tidak rusak, tentu saja.) Jadi para ahli teori di mana-mana akan kecewa.

Selain hiburan, para peneliti membandingkan nilainya dengan yang dihasilkan beberapa dekade lalu dalam akselerator partikel di CERN. Nilai ini ternyata sama, tetapi hanya kebetulan, karena pekerjaan sebelumnya memiliki dua kesalahan kompensasi. Para peneliti mencatat bahwa “radius muatan yang dikutip tidak terlalu jauh dari nilai kami,” tetapi ini dapat ditelusuri kembali ke kebetulan yang memalukan dari eksperimen palsu yang digabungkan dengan prediksi yang tidak lengkap dari teori 2P-2S, secara kebetulan. – nilai salah. ”Jadi dalam kasus ini, dua kesalahan membuat kami hampir benar.

Namun, pekerjaan ini akan memusatkan perhatian para peneliti untuk mencoba menemukan mengapa eksperimen yang berbeda dengan proton terus menghasilkan hasil yang tidak begitu setuju, karena kita tidak dapat menyalahkan hal-hal pada muon yang aneh. Sementara itu, kita semua dapat menghargai betapa menakjubkannya kita dapat melakukan banyak hal dengan muon dalam sepersekian detik yang mereka masuki.

Nature, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03183-1 (Tentang DOI).