هلیوم ناپایدار محدودیتی برای حماسه ادامه اندازه پروتون اضافه می کند


پردیس عظیم در پیاده رو ، محاصره شده توسط مزارع سبز.
بزرگنمایی / شتاب دهنده ذرات کوچک در سوئیس ، جایی که توسط مزارع احاطه شده بود ، کار انجام شد.

به نظر می رسد فیزیکدانانی که زندگی خود را وقف مطالعه موضوع می کنند ، فیزیک را خیلی دوست ندارند ، زیرا آنها همیشه امیدوارند که این رشته شکسته باشد. اما ما باید آنها را ببخشیم. این یافته که کمی نظریه نمی تواند نتایج تجربی را توضیح دهد ، نشانه این است که ما احتمالاً به نظریه جدیدی نیاز داریم ، موضوعی که هر فیزیکدان را به وجد می آورد.

در سالهای اخیر ، یکی از چیزهایی که به نظر می رسید بیشترین شکسته شده اندازه گیری به ظاهر ساده است: شعاع بار پروتون ، که اندازه گیری اندازه فیزیکی آن است. اندازه گیری های انجام شده با اتم های هیدروژن که دارای یک الکترون در مدار پروتون هستند ، پاسخی به ما داد. اندازه گیری هایی که در آن الکترون با یک ذره سنگین تر به نام میون جایگزین شد ، پاسخ متفاوتی به ما داد – هر دو نتیجه ناسازگار بودند. برای از بین بردن این اختلاف تلاش زیادی شده است و کمتر شده است اما از بین نرفته است.

این نظریه پردازان بزاق است. مدل استاندارد جایی برای این نوع تفاوت بین الکترون و میون ندارد ، بنابراین آیا این می تواند نشانه اشتباه بودن مدل استاندارد باشد؟ تیم پشت برخی از اندازه گیری های قبلی اکنون با یک روش جدید در حال بازگشت است ، این گروه رفتار یک میون را که به دور هسته هلیوم می چرخد ​​ردیابی می کند. نتایج با اندازه گیری های دیگر شعاع بار هلیوم مطابقت دارد ، که نشان می دهد هیچ چیز خنده داری در میون وجود ندارد. بنابراین مدل استاندارد می تواند با تسکین آهی بکشد.

میون ها را اندازه گیری می کنید؟

اندازه گیری کاملاً دیوانه وار است. میون ها در اصل نسخه های سنگین الکترون هستند ، بنابراین جایگزینی یکدیگر در یک اتم نسبتاً ساده است. و توده میون مزایای این نوع اندازه گیری ها را فراهم می کند. این جرم اطمینان حاصل می کند که مدارهای میون به قدری فشرده می شوند که عملکرد موج آن با عملکرد موج هسته همپوشانی دارد. در نتیجه ، رفتار میون هنگام چرخش در اطراف هسته نسبت به شعاع بار هسته بسیار حساس است.

اگر این واقعیت نبود که میونها ناپایدار هستند و معمولاً در کمتر از دو میکرو ثانیه تحلیل می روند ، همه اینها عالی خواهد بود. قرار دادن یکی در مدار اطراف هسته هلیوم عوارض را افزایش می دهد ، زیرا هلیوم معمولاً دارای دو الکترون در مدار است و آنها می توانند با یکدیگر تعامل کنند. فعل و انفعالات هسته ای-میون-الکترون سه طرفه مورد انتظار در حال حاضر فراتر از توانایی های محاسباتی ما است ، به این معنی که اگر رفتار واقعی با تئوری متفاوت باشد ، هیچ ایده ای نخواهیم داشت.

بنابراین محققان با ایجاد یون دارای بار مثبت متشکل از یک هسته هلیوم و یک میون منفرد که به دور آن می چرخد ​​، این مشکل را حل کردند. ساختن یکی از آنها – یا بهتر بگوییم – صدها نفر از آنها – جایی است که جنون شروع می شود.

محققان به پرتوی میون که در اثر برخورد ذرات ایجاد شده بود دسترسی پیدا کردند و آنها تصمیم گرفتند پرتو را به مقداری گاز هلیوم هدایت کنند. در این فرایند ، وقتی میون ها وارد می شوند ، انرژی زیادی برای ماندن در مدار هسته هلیوم دارند ، بنابراین به اطراف می پرند و با هر برخورد انرژی خود را از دست می دهند. هنگامی که میون ها به اندازه کافی کند می شوند ، می توانند یک مدار پرانرژی را وارد اتم هلیوم کنند و یکی از الکترون های خود را در این روند بیرون بزنند. اما الکترون دوم هنوز در اطراف است و هرگونه اندازه گیری بالقوه را گیج می کند.

اما میون به دلیل انتقال جرم و انرژی سریعتر از اتلاف انرژی به محیط ، اینرسی زیادی دارد. همانطور که میون مقداری از انرژی خود را به الکترون منتقل می کند ، جرم الکترون کمتری را تضمین می کند تا الکترون از اتم شارژ شود و یون هلیوم میون برای ما باقی می ماند. خوشبختانه همه این اتفاقات به قدری سریع اتفاق می افتاد که میون فرصت تجزیه را نداشت.

بگذار جنون شروع شود

در این مرحله ، میون معمولاً در یک مداری قرار دارد که انرژی کمتری دارد اما انرژی بیشتری نسبت به حالت پایه دارد. محققان در آزمایش ماشه ای را که به ظاهر میون ها حساس است تنظیم کردند. پس از تأخیر برای اجازه دادن به میونها برای شارژ دو الکترون ، ماشه باعث می شود لیزر با مقدار مناسب انرژی به نمونه برسد تا میون را از مدار 2S به مدار 2P تقویت کند. از آنجا ، آن را به حالت پایه متلاشی ، و اشعه X در روند آزاد.

بسیاری از میون ها در مدار 2S نخواهند بود و لیزر هیچ تاثیری بر روی آنها نخواهد داشت. محققان مایلند مقدار زیادی از هلیوم میونی را که ساخته اند فدا کنند تا اندازه گیری های دقیق کسانی که در شرایط صحیح هستند را بدست آورند. حضور آنها با تشخیص اشعه ایکس با انرژی مناسب سیگنال می شود. محققان برای اطمینان از اینکه آنها به چیزهای درستی نگاه می کنند ، فقط داده های مربوط به الکترون پرانرژی تولید شده توسط پوسیدگی میون را بدست آوردند.

و به یاد داشته باشید ، همه این اتفاقات باید به اندازه کافی سریع اتفاق می افتاد تا در یک بازه زمانی میلی ثانیه ای قبل از تجزیه میون اتفاق بیفتد.

اولین مرحله شامل تنظیم لیزر مورد استفاده در فرکانس صحیح برای تسریع میون در مدار 2P است ، زیرا این مقداری است که ما باید اندازه گیری کنیم. این کار با تنظیم لیزر قابل تنظیم در محدوده فرکانس تا زمانی که هلیوم شروع به تولید اشعه X کرد ، انجام شد. هنگامی که فرکانس شناسایی شد ، محققان داده هایی را به مدت 10 روز گرفتند که برای اندازه گیری دقیق فرکانس کافی بود. در این مدت ، محققان 582 یون هلیوم میون را مشاهده کردند.

بر اساس محاسبات با استفاده از فرکانس لیزر ، محققان دریافتند که شعاع بار هسته هلیوم 1.6782 فمومتر است. اندازه گیری های حاصل از گزاف گویی الکترون ها از هسته نشان می دهد که این عدد 1868 است. این دو مقدار در خطای آزمایشی هستند ، بنابراین کاملاً با هم توافق دارند.

ببخشید خراب نشده

در ساده ترین سطح ، این واقعیت که اندازه گیری های میون با اندازه گیری های انجام شده به طور مستقل موافق است ، نشان می دهد که هیچ چیز خاصی در مورد میون ها وجود ندارد. بنابراین ، مدل استاندارد ، که همان حرف را می زند ، نسبت به محدودیت های نسبتاً کمی که توسط اشتباهات تجربی در اینجا مجاز است ، سالم است. (البته این بدان معنی نیست که به هیچ وجه دیگری شکسته نشده است.) بنابراین نظریه پردازان در همه جا ناامید خواهند شد.

به عنوان جنبه سرگرم کننده ، محققان ارزش آنها را با ارزش تولید شده در دهه های گذشته در شتاب دهنده های ذرات CERN مقایسه کردند. به نظر می رسد که این مقدار مشابه است ، اما فقط به طور تصادفی ، زیرا کار قبلی دارای دو خطای جبران کننده بوده است. محققان خاطرنشان كردند: “شعاع بار نقل شده آنها خیلی از ارزش ما دور نیست” ، اما این را می توان در یک همزمانی ناجور از یک آزمایش اشتباه همراه با یک نظریه ناقص 2P-2S جستجو کرد ، که به طور تصادفی یک مقدار کمتر اشتباه است. “” بنابراین در این مورد ، دو اشتباه تقریبا به درستی انجام شده است.

در هر صورت ، این کار یک بار دیگر توجه محققان را به تلاش برای درک اینکه چرا آزمایش های مختلف پروتون منجر به نتیجه ای می شود که کاملاً موافق نیست ، می کند ، زیرا ما نمی توانیم مسایل را به دلیل عجیب بودن میون مقصر بدانیم. در این میان ، همه ما می توانیم درک کنیم که چقدر شگفت آور است که می توانیم در کسری از ثانیه میون ها کارهای زیادی انجام دهیم.

Nature ، 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03183-1 (برای DOI).


منبع: khabar-tak.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*