Proton şarj yarıçapı bulmacasını çözmeye yönelik dev bir adım

Proton şarj yarıçapı bulmacasını çözmeye yönelik dev bir adım
Yazıyı beğendiyseniz lütfen Paylaşın


Max Planck Kuantum Optik Enstitüsü’ndeki fizikçiler, hidrojen spektroskopisini kullanarak kuantum mekaniğini tamamen yeni bir hassasiyet seviyesine kadar test ettiler ve bunu yaparak iyi bilinen proton şarj yarıçapı bulmacasını çözmeye çok yaklaştılar.

Max Planck Kuantum Optik Enstitüsü’ndeki (MPQ) bilim adamları, kuantum elektrodinamiğini 13 ondalık basamağa kadar benzeri görülmemiş bir doğrulukla test etmeyi başardılar. Yeni ölçüm, önceki tüm hidrojen ölçümlerinin toplamından neredeyse iki kat daha doğru ve bilimi proton boyutu bulmacasını çözmeye bir adım daha yaklaştırıyor. Bu yüksek doğruluk, atomları yüksek çözünürlüklü spektroskopide uyarmak için ilk kez burada tanıtılan Nobel Ödüllü frekans tarağı tekniği ile elde edildi. Sonuçlar bugün yayınlandı Bilim.

Fiziğin kesin bir bilim olduğu söyleniyor. Bu, fiziksel teorilerin tahminlerinin – kesin sayıların – deneylerle doğrulanabileceği veya yanlışlanabileceği anlamına gelir. Deney, herhangi bir teorinin en yüksek yargıcıdır. Kuantum mekaniğinin göreceli versiyonu olan kuantum elektrodinamiği, şüphesiz bugüne kadarki en başarılı teoridir. Atomik hidrojen spektrumunun 12 ondalık basamağa kadar tanımlanması gibi son derece hassas hesaplamaların yapılmasına izin verir. Hidrojen, evrendeki en yaygın elementtir ve aynı zamanda tek elektronla en basit olanıdır. Ve yine de, henüz bilinmeyen bir gizemi barındırıyor.

Proton boyutu bulmacası

Hidrojen atomundaki elektron, enerji seviyelerindeki minimum değişimlerle yansıtılan protonun boyutunu “algılar”. Uzun yıllar boyunca, hidrojen üzerinde yapılan sayısız ölçüm, tutarlı bir proton yarıçapı sağladı. Ancak, elektronun 200 kat daha ağır ikizi olan müon ile değiştirildiği sözde müonik hidrojenin spektroskopik incelemeleri bir gizemi ortaya çıkardı. Ölçümler, 2010 yılında Prof. Hänsch’ın (MPQ) Lazer Spektroskopi Bölümü’nde grup lideri ve şu anda Mainz’daki Johannes Gutenberg Üniversitesi’nde profesör olan Randolf Pohl ile işbirliği içinde gerçekleştirildi. Bu deneylerden elde edilebilecek proton yarıçapının değeri, sıradan hidrojenden yüzde 4 daha küçüktür. Tüm deneylerin doğru olduğu düşünülürse, kuantum elektrodinamiği teorisiyle bir çelişki ortaya çıkar, çünkü müonik ve sıradan hidrojendeki tüm ölçümler, tüm teorik terimler doğru olduğunda aynı proton yarıçapını bildirmek zorundadır. Sonuç olarak, bu “proton yarıçapı bulmacası” tüm dünyada yeni hassasiyet ölçümlerini motive etti. Bununla birlikte, Garching ve Toronto’dan yeni ölçümler daha küçük proton yarıçapını onaylarken, Paris’ten bir ölçüm yine önceki büyük değeri destekledi.

Proton bulmacasının bir sonraki aşaması
Bu şekilde, proton yarıçapı için farklı sonuçlar femtometrede karşılaştırılmıştır. [fm], iem Sıradan hidrojende 1S-3S geçişinden gelen yeni değer, müonik hidrojende 2S-2P geçişinden elde edilen değere daha yakındır. Bu egzotik atom yalnızca saniyenin iki milyonda biri gibi kısa bir süre için üretilebilmesine rağmen, proton yarıçapına özellikle “duyarlıdır”. Bu nedenle en küçük ölçüm hatalarını taşır (yatay siyah hata çubukları). Kredi: Max Planck Topluluğu

Ölçümleri karşılaştırma

Bilim, bağımsız karşılaştırmalarla büyür. Bu nedenle Theodor Hänsch’ın Lazer Spektroskopi Departmanından Alexey Grinin, Arthur Matveev ve Thomas Udem liderliğindeki Garching ekibi, tamamen farklı ve dolayısıyla tamamlayıcı bir yöntem kullanarak Paris’tekiyle aynı geçişi ölçmek istedi. Sözde Doppler içermeyen iki foton frekanslı tarak spektroskopisini kullanarak, doğruluğu dört kat artırmayı başardılar. Proton yarıçapı için sonuç, hidrojenle ilgili önceki tüm ölçümlerin birlikte iki katı kadar doğruydu. Kuantum mekaniğinin on üçüncü ondalık basamağa kadar kontrol edildiği ilk zamandır. Bu şekilde belirlenen proton yarıçapı değeri, daha küçük proton yarıçapını doğrular ve bu nedenle teoriyi neden olarak dışlar. Çünkü aynı geçiş için, teori ne olursa olsun deneysel sonuçların uyuşması gerekir. Aşağıdaki şekil (şekil 1) mevcut durumu göstermektedir.

Kuantum elektrodinamiğinin geçerliliğine ilişkin değerlendirmeler, yalnızca birkaç bağımsız ölçümün karşılaştırılmasıyla mümkündür. Teori ve uygulaması doğruysa ve tüm deneyler doğru yapılırsa, proton yarıçapı değerleri deneysel belirsizlik sınırları dahilinde birbiriyle uyumlu olmalıdır. Ancak resimde gördüğümüz gibi durum böyle değil. Bu tutarsızlığın ifşa edilmesi – proton bulmacası – en kesin fiziksel teori olan kuantum elektrodinamiğinin temel bir kusur taşıması olasılığını ortaya çıkardı. Ancak yeni sonuç, sorunun temel nitelikten çok deneysel olduğunu gösteriyor. Ve kuantum elektrodinamiği bir kez daha başarılı olabilirdi.

Frekans tarağı spektroskopisinde yeni dönüm noktası

Mavi lazer ışığı (410 nm), doğrusal olmayan bir kristal kullanan, darbeli Titanyum: Safir lazerin ikinci harmoniği olarak üretilir.

Bu projede gerçekleştirilen frekans tarak spektroskopisinin başarısı, başka bir nedenle bilimde önemli bir kilometre taşı anlamına da geliyor. Hidrojen ve diğer atomlar ve moleküller üzerinde hassas spektroskopi şimdiye kadar neredeyse yalnızca sürekli dalga lazerleriyle gerçekleştirildi. Aksine, frekans tarağı darbeli bir lazer tarafından üretilir. Bu tür lazerlerle, aşırı ultraviyole aralığına kadar çok daha kısa dalga boylarına nüfuz etmek mümkündür. Sürekli dalga lazerleriyle, bu umutsuz bir çaba gibi görünüyor. Hidrojen benzeri helyum iyonu gibi son derece ilginç iyonların geçişleri bu spektral aralıkta olur, ancak ilk kuantum teorisinin geliştirilmesinden 100 yıldan fazla bir süre sonra bile tam olarak çalışılamazlar, yani lazer ışığı ile. Şimdi sunulan deney, bu tatmin edici olmayan durumu değiştirmek için önemli bir adımdır. Ek olarak, bu ultraviyole frekansı taraklarının hidrojen ve karbon gibi biyolojik ve kimyasal olarak önemli elementlerin doğrudan lazerle soğutulmasına izin vererek bilimin onları daha da yüksek hassasiyetle incelemesini sağlayacağı umulmaktadır.


Bilim adamları on yıllık bulmacayı çözmeye yardımcı olmak için hassas proton yarıçapını ölçüyor


 

Kaynak

admin

admin

Talebemektebi bir sevdanın hikayesi

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Translate »