여기에 이상한 작은 이야기가 있습니다. 2 명의 물리학자는 전자기 트랩에 2 개의 이온을 제한하여 몇 주 동안 랩을 돌려 질량을 절묘한 정밀도와 비교하게 만들었습니다. 그 측정과 다른 팀에서 빌린 한 사람으로부터, 그들은 Proton의 질량에 대한 가장 정확한 추정치를 도출했습니다 :1.007276466574 AMU (Atomic Mass Unit), 그리고 10 조의 AMU의 마이너스. 양성자의 질량을 정확하게 알면 과학자들이 새로운 힘을 찾는 데 도움이 될 수 있기 때문에 그 적은 수는 큰 문제 일 수 있습니다.
Central Michigan University의 핵 물리학자인 Matthew Redshaw는이 작업에 관여하지 않은“이것은 매우 아름다운 기술입니다. 암스테르담 자유 대학의 원자력 및 분자 물리학자인 Jeroen Koelemeij는 동의합니다. "나는 아이디어를 생각해 낸 것에 대해 단지 그들에게 인정합니다."
양성자와 같은 가벼운 원자 핵의 질량을 결정하기 위해 과학자들은 고등학생들에게 친숙한 물리학에 의존합니다. 자기장을 통해 수직으로 양성자처럼 하전 된 입자를 쏘면, 필드는 옆으로 밀어 입자의 질량을 나타내는 주파수로 원을 눌렀습니다. 실제로, 측정의 정밀도를 향상시키기 위해, 물리학 자들은 두 가지 다른 유형의 입자의 주파수를 비교하여 질량의 비율을 측정합니다.
예를 들어, 2020 년 플로리다 주립 대학의 원자 물리학자인 에드먼드 마이어스 (Edmund Myers)와 데이비드 핑크 (Edmund Myers)와 데이비드 핀 (David Fink)은 양성자와 중성자로 구성된 원자 핵, 단일 전자를 공유하는 수소의 이온화 된 분자로 구성된 듀 테론의 질량의 비율을 측정했습니다. 두 입자는 동일한 전하와 거의 동일한 질량을 가지므로 거의 동일한 주파수로 궤도를 돌려 측정의 정밀도를 증가시킵니다.
동일한 조건 하에서 신 및 수소 이온 궤도를 만들기 위해 Myers와 Fink는 두 개를 한 번에 몇 주 동안 동일한 전자기 트랩으로 유지했습니다. 그들은 4 밀리미터 너비의 큰 궤도에 하나를 주차하는 동안 트랩 중심에서 40 마이크로 비트를 가로 질러 다른 반역을 측정하여 10 분마다 교환했습니다. 그러나, 그 기술조차도 두 입자의 측정이 정확히 비교할 수 있도록 충분하지 않았다. Myers는“10 분 동안 자기장이 바뀔 수 있습니다.
Myers와 Fink는 이제 그 문제를 제거했습니다. 20 년 전 매사추세츠 기술 연구소 (Massachusetts Institute of Technology)에서 개발 된이 기술을 부활시키면서 그들은 트랩 중심에서 Deuteron과 수소 이온을 동시에 빙빙 돌렸다. 연구원들은 이온 주파수를 이전보다 4 배 더 큰 정밀도와 비교했습니다. 일부 이론적 인 결과를 사용하여 Deuteron 대 양성자 질량 비율을조차 4.5 부분으로 결정할 수 있었으며, Physical Review Letters 의 Press에서 논문에보고했습니다. .
Redshaw는“Ed는 자신의 트럼펫을 날려 버리는 것을 좋아하지 않지만 이것은 현재까지 가장 정확한 질량 비율 측정 중 하나입니다.
마지막으로, 양성자 질량을 추정하기 위해 Myers와 Fink는 Max Planck Institute for Nuclear Physics의 물리학 자들이 이끄는 협력에 의해 작년에 발표 된 Deuteron Mass의 매우 정확한 측정과 그들의 비율을 결합했습니다. (이 팀은 Trap를 사용하여 신 부두와 Carbon-12 이온의 궤도 주파수를 비교했으며, 정의상, Carbon-12 Atom은 정확히 12 amu의 질량을 가지고 있습니다.) 새로운 양성자 질량 추정치는 국제 과학위원회 (Codata)의 공식 평균 가치의 불확실성의 1/5과 Max Planck의 세계 주도적 인 측정 값의 1/5를 가지고 있습니다. 세 가지 결과 모두 동의합니다.
그렇다면 양성자 질량에 대한 새로운 값으로 연필을 할 시간입니까? 아마도 아직 아니라고 마이어스는 말한다. 그와 Fink는 전자 빔을 사용하여 수소 분자에서 전자를 노크함으로써 갇힌 수소 이온을 생성했습니다. 그 폭력적인 과정은 이온이 내부 에너지로 진동하고 회전합니다. Albert Einstein의 상대성 이론에 따르면, 에너지는 질량에 해당하며 이온의 측정 된 질량을 약간 높이고 Myers와 Fink가 수정 해야하는 효과입니다.
양자 역학에 따르면, 이온의 진동 또는 회전 에너지의 양은 개별 단계로 나옵니다. 실험자는 한 번에 한 단계 씩 진동 에너지를 방출함에 따라 이온의 질량이 감소하는 것을 볼 수있었습니다. 그러나 각 단계마다 회전 에너지가 얼마나 많은지 추정하기 위해, 마이어스와 핀은 이론에 근거한 추론에 의존하여 약간의 불확실성을 소개합니다.
팀이 이러한 과제를 정확히 올바르게 가지고 있지 않더라도, 데이터는 양성자 질량 추정치의 불확실성이 1조차 약 16 개 부분보다 크지 않을 것이라고 제안했다고 Redshaw는 말합니다. Koelemeij는 그의 팀이 레이저를 사용하여 알려진 진동 및 회전 상태에서 수소 이온을 생성하고 덫을 놓고 있다고 말했다. 이 기술은 Myers와 Fink와 결합되어 불확실성을 더욱 줄일 수 있다고 그는 말합니다.
양성자 및 부두통 질량의 초저 측정은 라저에 의해 프로브 될 수있는 신 및 수소 원자로 제조 된 분자의 양자 상태를 예측하는 데 사용될 수있다. 예측과의 편차는 자연의 추가 힘과 같은 새로운 물리적 현상의 징후가 될 것입니다. 가능성은 거의 없지만 그러한 발견은 모든 물리학을 소용돌이로 보낼 것입니다.
