독일의 Max Planck Optics Institute for Quantum Optics Institute에서 수행 한 최근 실험에서 물리학 자 Alexey Grinin과 그의 동료들은 지난 10 년 동안 입자 물리학에서 더 중요한 퍼즐 중 하나를 해결하는 데 한 걸음 더 가까워졌습니다. 퍼즐은 이것입니다. 일반적으로, 무언가의 크기를 측정 할 때, 당신은 당신이 그것을 측정하는 데 사용하든 동일한 대답을 얻을 것으로 예상됩니다. 소다는 지름을 가질 수 있습니다. 테이프 척도 또는 캘리퍼스로 측정할지 여부에 관계없이 (물론 적절하게 교정됩니다). 장비에 따라 다른 답변을 반환 할 수 있다면 측정하려는 시도가 있어야하지만, 이것은 양성자의 공간 범위를 측정하려는 여러 시도에서 발생한 일입니다. 잠재적으로 위험에 처해있는 것은 현실의 빌딩 블록에 대한 우리의 이해입니다. 다른 측정은 새로운 힘이나 입자의 존재를 예고하는 것일 수 있습니다.
아 원자 입자가 측정 가능한 "크기"를 갖는 것이 무엇을 의미합니까? 수학적으로, 기본 입자는 포인트 입자로 이상화되며, 즉, 우리가 알 수있는 한, 의미있게 식별 할 수있는 공간적 범위 또는 하위 구조는 전혀 없습니다. 사실, 모든 기본 입자는 양자 기계파 패킷과 관련이 있으며, 이는 입자의 에너지에 의존하는 공간적 범위를 갖습니다. 그러나이 기본 레고는 원칙적으로 웨이브 패킷이 원칙적으로 연속체 지오메트리 개념이 플랑크 규모로 시작되기 전에 원하는만큼 작은 영역으로 포장 할 수있는 엔티티입니다. 기본 입자는 미니주기 테이블과 유사한 것으로 구성됩니다. 광자와 글루온 (강한 핵력의 캐리어 입자)과 함께 다양한 힘을 전달하는 입자 (강한 핵력의 캐리어 입자)와 3 세대의 쿼크 및 렙톤 및 질량 생성 Higgs Boson과 함께 다양한 조합에 함께 적응할 수 있습니다.
아마도 이것들 중 가장 친숙하고 유비쿼터스는 양성자 일 것입니다. 모든 종류의 요소에 적어도 하나의 쿼크와 두 개의 쿼크와 gluons를 교환함으로써 유지되는 단단히 묶인 궤도에서 서로 춤을 추는 다운 쿼크로 구성되어 있습니다. 이 교환 과정은 매우 활력이되어서 양성자의 질량 대부분 (또는 그 문제에 대해 우리를 만드는 대부분의 물질)은 이러한 글루온에 포함 된 에너지에서 파생됩니다. 결과는 아인슈타인이 우리에게 알리는 것처럼 e 입니다. mc 와 같다 .
따라서 양성자의 "크기"가 무엇인지 묻는 것은 의미가 없습니다. Grinin 팀의 연구는이 개념을 정의하는 것이 다소 까다로운 일이라는 사실을 강조합니다. 그리고 우리가 볼 수 있듯이, 그들의 결과는 연구자들이 이전에 동의하지 않은 다른 측정 방법에 대한 미스터리를 연마하는 역할을합니다.
물리학자는“충전 반경”에서 양성자 크기를 합리적으로 추론 할 수 있습니다. 이 양은 전자와 뮤온 (또 다른 종류의 기본 입자)에 의해 약간 다른 방식으로 조사됩니다. 궤도 구성이 전자의 경우 원자 수소, 뮤온의 경우 뮤닉 수소와 함께 "결합 된 상태"를 형성 할 때 궤도 구성을 조사 할 때 궤도 구성을 조사 할 때. 뮤온은 전자보다 약 200 배 더 무겁기 때문에 가장 낮은 에너지 궤도 구성은 원자 수소의 전자보다 양성자 주위에 훨씬 단단히 결합됩니다. 결과적으로, 뮤성 수소에서 다양한 궤도의 에너지의 차이는 양성자 크기에 훨씬 더 민감하고 규칙적인 원자 수소의 것보다 "높은 피치"가 더 높다.
다시 말해, 주어진 장력에서 기타 줄을 뽑는 것이 훨씬 더 높은 음표를 생성하는 것과 유사하게, 우리는 그것을 열어 두는 것이 좋았거나, 1/200으로 개방 길이에서, 뮤닉 수소에서 전이에 의해 방출되는 방사선의 전형적인 주파수는 원자 수소에서 약 200 배 더 높습니다. 이러한 주파수는 Rydberg 상수 (기타 문자열의 장력)와 관련이 있으며, 이는 잠재적으로 더 중요한 불확실성 양성자 크기의 원인 중 하나 인 것으로 보입니다. 궤도 에너지 레벨은 양성자 의이 상수와 전하 반경 모두에 따라 다릅니다.
양성자 크기 측정은 수십 년 동안 충돌하지 않았습니다. 수소 원자 내에서 전자 궤도를 관찰하거나 결합되지 않은 양성자에서 에너지 전자를 산란하여 반경을 측정하는 것과 같은 다른 방법은 0.875 (0.006)의 값으로 수렴되었습니다. 그것은 밀리미터의 1 조 미만입니다. 이 수렴은 2010 년에“양성자의 크기”라는 제목의 논문이 나왔을 때 중단되었습니다. 연구원들이보고 한 바와 같이, 뮤닉 수소에서의 궤도 구성과 관련된 측정은 0.842의 값을 반환하고 0.001 펨토 미터를 주거나 가져 갔다. 이것은 큰 차이가 아닌 것처럼 보일 수 있지만, 그에 따른 오류 막대가 중요합니다. 측정은 개별적으로 이루어지기 때문에 그들의 불일치가 7 개의 표준 편차가 넘어 지도록 정확합니다. 불일치가 통계적으로 우연 일 수있는 약 1 조의 확률로 1 명 미만입니다.
.실험에 사용 된 장비와 교정이 모두 신중하게 조사 후 체크 아웃하는 경우 비정상적인 결과에 대한 두 가지 가능성 만 있습니다. 연구자들이 양성자 전하 반경을 실험적으로 추론하기 위해 가정하는 물리적 상수의 조합은 우리가 생각한대로 정확하게 알려져 있지 않거나, 전자와 비교하여 뮤온이 양성자와 상호 작용하는 방식에 대해서는 입자 물리학을 불완전하게 만듭니다.
후자의 가능성은 물론, 이론적 물리학 자들 사이에서 새로운 힘과 입자의 존재를 암시 할 수 있기 때문에 이론적 물리학 자들 사이에서 흥분의 혼란을 야기 할 것이다. 그것은 우주에 대한 우리의 이해를 재구성 할뿐만 아니라, 물리학 자들이 속담 탁상에 맞을 수있는 장비를 사용하여 입자 (예 :뮤온 자체)를 발견 한 시대에 대한 후퇴를 나타낼 것입니다.
.지난 몇 년 동안, 다양한 팀이 Rydberg 상수와 전하 반경의 다른 조합에 민감한 원자 수소에서 다른 궤도 전이를 보면서이 문제의 맨 아래에 도달하려고 시도해 왔습니다. 캐나다 요크 대학교 (York University)의 연구원 그룹에 의한 2019 년 측정은이 상수의 값과 무관 한 특정 궤도 전이를 살펴보고 뮤닉 수소에서 얻은 작은 값과 일치하는 0.833 ± 0.010 펨토 미터의 값을 찾았습니다.
Grinin의 팀은 한 걸음 더 나아갔습니다. 그들은 주파수 COMB 분광법으로 알려진 기술을 사용했습니다. 여기에는 똑같이 간격의 주파수 (주파수 공간의 통치자)가 똑같이 간격을 두는 레이저 조명의 펄스가 포함되어 양성자 크기와 Rydberg 상수의 두 가지 다른 조합에 민감한 두 가지 다른 궤도 전이를 볼 수 있습니다. 이를 통해 전례없는 정확도로 둘 다를 결정할 수있었습니다. 이 기술은 10 조 10 조의 약 한 부분으로, 이들 전이가 방출 된 빛의 빈도에서 관찰 불확실성을 감소시켰다.
Grinin의 팀은 Muonic 수소에서 얻은 값과 일치하는 양성자의 전하 반경에 대한 값을 찾았을뿐만 아니라 Rydberg 상수에 대해 훨씬 더 정확한 값을 추론했습니다. 이것은 원자 수소의 다른 측정에서 볼 수있는 불일치의 일부를 차지했습니다 (정확한 가치가 낮은 것으로 추정)
따라서 원자 수소에서 얻은 양성자 전하 반경 Grinin 팀의 실험 값은 처음에 뮤닉 수소에서 얻은 다른 연구자들의 양성자 전하 반경의 작은 값으로 수렴하는 것으로 보입니다. 작은 가치는 이제 National Institute of Standards and Technology Institute of Standards and Technology Codata의 공식 가치로 채택되었습니다. 권장 물리적 상수 목록, 핵 및 원자 화학자 및 물리학 자의 공식 알마 낙.
실험 기술의 지속적인 개선에 근거한 이러한 수렴은 새로운 물리학을 전달하지 않았지만, 가장 낙담 한 이론적 물리학 자조차도 그 문제를 결론에 더 가깝게 가져 오는 것으로 보이는 실험 예술을 인정할 수 있습니다. 해결되지 않은 것은 원자 수소에서 다른 분광 방법에 의존하는 측정이 양성자의 전하 반경에 대해 다른 값을 반환하는 이유입니다. 미스터리, 그리고 그와 함께 입자 물리학 자의 희망이 줄어들면서 당분간은 견뎌냅니다.
이것은 캐나다 주변 연구소의 Cliff Burgess가 이끄는 이론적 물리학 자 팀에게 충분한 동기가 있었으며, 일련의 논문에 대한 원자 분광법에서 가능한 모든 이론적 불확실성의 원천을 체계적으로 카탈로그로 만들었습니다. 새로운 힘과 입자가 이야기의 서명을 남길 수있는 방법을 분리함으로써, 그들은 건틀릿을 실험가들에게 단단히 버렸습니다. 항상 그렇듯이 미래의 실험은이 문제에서 궁극적 인 중재자가 될 것입니다.
Subodh Patil은 Leiden University의 Lorentz 이론 물리학 연구소의 조교수입니다. 그는 때때로 @_subodhpatil에서 트윗합니다.
