Fången spinn kvantsteg av protonen

Första magnetiska egenskaper direkt observerade på en enda proton

Proton © MMCD
läsa högt

För första gången har ett forskningssamarbete lyckats upptäcka spinnmängdhopp i en enda proton - och därmed ett avgörande steg mot högprecisionsmätning av protonens magnetiska egenskaper. Genombrottet som nu publicerades i tidskriften Physical Review Letters baseras på observationen av en enda proton lagrad i en elektromagnetisk partikelfälla. Samma princip skulle kunna tillämpas på ett antiproton och sedan bidra till att lösa frågan om antimateria materia-obalans i universum.

Liksom andra partiklar har protonen ett slags inneboende vinkelmoment, rotationen. Det är jämförbart med en liten stångmagnet: ett vridkvant hopp motsvarar vändningen av magnetpolerna. Detekteringen av protonsnurr är emellertid en stor utmaning. Medan på 1980-talet uppmättes elektronen och dess antipartikel, positron, och jämfördes med de magnetiska momenten, hittills har detta inte uppnåtts med en proton. Den speciella svårigheten är att protonets magnetiska ögonblick är ungefär 660 gånger mindre än elektronens. Mätningssignalen är därför mycket lägre.

Första beviset på snurr

Forskare vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) och Helmholtz Institute Mainz (HIM), tillsammans med kollegor från Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg och GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research Darmstadt, har nu detta svåra bevis på enkelsnurrat kvanthopp Protoner lyckades för första gången. Forskningssamarbetet har utvecklat ett precisionsexperiment i fem års förarbete som nu har godkänt brandtestet. Mätprincipen är baserad på observationen av en enda proton som lagras i en elektromagnetisk partikelfälla. "Det första beviset på en protons rotationsriktning har lyckats i vårt fall, " säger Stefan Ulmer från Helmholtz Institute Mainz.

Dubbel penningfälla för lagring av enstaka protoner och detektion av spinnkvantantalet © Holger Kracke

Bort gratis för antimateriella mätningar

Detta rensar vägen för direkta högprecisionsmätningar av det magnetiska momentet för både en proton och ett antiproton. Det sistnämnda erbjuder också möjligheterna att lösa frågan om frågan om obalans mellan material och materia i universum. Mätmetoden som tillämpas i Mainz-laboratorierna kan öka mätnoggrannheten för de hittills bara tre decimalerna med en miljon gånger och skulle representera ett mycket känsligt test av CPT-symmetri, vilket är grundläggande för den fysiska världsbilden. Den första observationen av spin kvanthopp av en enda proton är det största genombrottet på vägen mot detta mål.

Materia-antimatter-symmetrin är en av de viktigaste hörnstenarna i standardmodellen för elementär partikelfysik. Enligt denna modell uppför sig partiklar och antipartiklar identiskt vid samtidig applicering av laddningsomvändning, rumslig reflektion och tidsförskjutning - benämnd CPT-transformation. Jämförelser med högprecision av partiklarnas och antipartiklarnas grundläggande egenskaper gör det möjligt att testa detta symmetriska beteende känsligt och ge ledtrådar till fysik utöver standardmodellen. Mätningen av en avvikelse av de magnetiska momenten för proton och antiproton skulle öppna fönstret för denna "nya fysik". (Physical Review Letters, 2011; DOI: 10.1103 / PhysRevLett.106.253001) Display

(University of Mainz, 22.06.2011 - NPO)