¿Cuál es el peso de un protón? Los científicos de Alemania y Japón han dado un paso importante hacia una mejor comprensión de esta constante fundamental. Mediante mediciones de precisión en un solo protón, pudieron mejorar la precisión en un factor de tres ytambién corrija el valor existente.
Para determinar la masa de un solo protón con mayor precisión, el grupo de físicos del Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg y RIKEN en Japón realizó una medición importante de alta precisión en un sistema de trampa Penning muy avanzado, diseñado por Sven Sturmy Klaus Blaum de MPI-K, utilizando detectores de partículas individuales ultrasensibles que fueron desarrollados en parte por el Laboratorio de Simetrías Fundamentales Ulmer de RIKEN.
El protón es el núcleo del átomo de hidrógeno y uno de los componentes básicos de todos los demás núcleos atómicos. Por lo tanto, la masa del protón es un parámetro importante en la física atómica: es uno de los factores que afectan la forma en que los electrones se muevenel núcleo atómico. Esto se refleja en los espectros, es decir, los colores claros longitudes de onda que los átomos pueden absorber y emitir nuevamente. Al comparar estas longitudes de onda con predicciones teóricas, es posible probar teorías físicas fundamentales. Además, comparaciones precisas delas masas del protón y el antiprotón pueden ayudar en la búsqueda de la diferencia crucial, además del signo inverso de la carga, entre la materia y la antimateria.
Las trampas de penetración están bien probadas como "escalas" adecuadas para iones. En una trampa de este tipo, es posible confinar, casi indefinidamente, partículas cargadas simples como un protón, por ejemplo, mediante campos eléctricos y magnéticos.En la trampa, la partícula atrapada realiza un movimiento periódico característico a una determinada frecuencia de oscilación. Esta frecuencia puede medirse y la masa de la partícula puede calcularse a partir de ella. Para alcanzar la alta precisión deseada, se requería una técnica de medición elaborada.
El isótopo de carbono 12C con una masa de 12 unidades de masa atómica se define como el estándar de masa para los átomos. "Lo usamos directamente para la comparación", dice Sven Sturm. "Primero almacenamos cada protón y un ion de carbono 12C6 +en compartimentos separados de nuestro aparato de trampa Penning, luego transportó cada uno de los dos iones al compartimiento de medición central y midió su movimiento ". A partir de la relación de los dos valores medidos, el grupo obtuvo la masa del protón directamente en unidades atómicas. El compartimento de medición fueequipado con componentes electrónicos diseñados específicamente para el desarrollo. Andreas Mooser del Laboratorio de Simetrías Fundamentales de RIKEN explica su función: "Nos permitió medir el protón en condiciones idénticas al ion de carbono a pesar de su masa aproximadamente 12 veces menor y su carga 6 veces menor."
La masa resultante del protón, determinada como 1.007276466583 15 29 unidades de masa atómica, es tres veces más precisa que el valor actualmente aceptado. Los números entre paréntesis se refieren a las incertidumbres estadísticas y sistemáticas, respectivamente.
Curiosamente, el nuevo valor es significativamente menor que el valor estándar actual. Las mediciones de otros autores arrojaron discrepancias con respecto a la masa del átomo de tritio, el isótopo de hidrógeno más pesado T = 3H y la masa de helio ligero 3He en comparación con la molécula de hidrógeno "semipesado" HD D = 2H, deuterio, hidrógeno pesado. "Nuestro resultado contribuye a resolver este rompecabezas, ya que corrige la masa del protón en la dirección correcta", dice Klaus Blaum.
Florian Köhler-Langes de MPIK explica cómo los investigadores tienen la intención de mejorar aún más la precisión de su medición: "En el futuro, almacenaremos un tercer ion en nuestra torre trampa. Al medir simultáneamente el movimiento de este ion de referencia,ser capaz de eliminar la incertidumbre originada por las fluctuaciones del campo magnético ". El trabajo fue publicado en Cartas de revisión física .
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Materiales proporcionado por RIKEN . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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