Фундаментальное отклонение: самое точное измерение на сегодняшний день показывает, что одно из самых маленьких атомных ядер легче, чем должно быть в соответствии с официальным эталонным значением. Соответственно, дейтрон - ядро, состоящее из протона и нейтрона, - имеет значительно меньшую массу, чем указывает эталонное значение. Это увеличивает отклонения фундаментальных строительных блоков атома по сравнению с официально установленными ориентировочными значениями.
Основные строительные блоки материи - протоны, нейтроны и электроны - формируют поведение атомов и молекул. Поэтому очень важно точно знать их характеристики, в том числе и для многих естественных констант. Но их измерение затруднено и сопряжено с большими неопределенностями. В последние годы исследователи неоднократно обнаруживали значительные отклонения от эталонных значений, например, в радиусе и массе протона.
Дейтрон на «Весах»
Исследователи во главе с Сашей Рау из Института ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге также выявили новые несоответствия для дейтрона - атомного ядра тяжелого водорода. Он состоит из протона и нейтрона и благодаря своей простой структуре позволяет проводить точные проверки фундаментальных физических теорий. Кроме того, масса нейтрона - второго компонента атомного ядра после протона - также может быть получена из массы дейтрона.
Чтобы «взвесить» дейтрон, исследователи использовали так называемую ловушку Пеннинга. В нем сильные магнитные поля удерживают заряженные атомные ядра во взвешенном состоянии и направляют их по круговым траекториям. Орбитальный период этих орбит зависит от массы частиц. Более тяжелые частицы имеют более низкую орбитальную частоту, чем более легкие. Как и на балансировочных весах, ученые определяют массу с помощью «калибровочной гири» - в данном случае шестикратно положительно заряженного иона углерода.
Намного легче, чем ожидалось
«Каждый из нас подготовил дейтрон и ион углерода, поочередно переносил один из них из ловушки для хранения в ловушку, встроенную между ними, и точно измерил его движение», - объясняет Рау. «Отношение частот двух ионов, полученных таким образом, непосредственно приводит к массе дейтрона в атомных единицах». Атомная единица по определению является двенадцатой частью изотопа углерода-12.
Удивительный результат: Согласно этим измерениям, масса дейтрона составляет 2,013553212535 атомных единиц. Это значение отклоняется от действующего в настоящее время эталонного значения на 4,5 стандартных отклонения - это слишком мало. Таким образом, дейтрон значительно легче, чем должен быть. В то же время, текущее измерение, безусловно, является самым точным на сегодняшний день: «С относительной погрешностью в восемь частей на триллион это самое точное значение, измеренное непосредственно и выраженное в атомных единицах», - заявляют исследователи.
Ионное измерение подтверждает отклонение
Но как объяснить это несоответствие? Возможна ли систематическая ошибка измерения? Чтобы проверить это, Рау и его команда провели еще одно измерение - на этот раз с ионом дейтерия HD+Он состоит из ядра дейтрона и дополнительного протона. Кроме того, они сравнили результаты измерений с ранее определенными массами протона и электрона, а также с энергией связи таких трехчастичных систем.
Эта проверка показала, что ион HD+ имеет массу 3,021378241576 атомных единиц массы. «Результат отлично согласуется с нашими прямыми измерениями», - говорит коллега Рау Свен Штурм. «Кроме того, отношение масс дейтрона к массе протона, полученное из наших данных, очень хорошо согласуется со значением, измеренным непосредственно другой группой».
Исходные значения должны быть скорректированы
По словам исследователей, это подтверждает, что дейтрон действительно легче, чем предыдущее эталонное значение. По словам Рау и его коллег, после протона следует скорректировать и значение для этого легкого атомного ядра. Их новые данные измерений также значительно уменьшают расхождения, существовавшие ранее в массах легких ядер.
Однако для полного выяснения всех этих несоответствий требуются дальнейшие высокоточные измерения массы - непосредственно в атомных единицах - сверхтяжелого водорода (трития) и легкого гелия, поясняют они.