バスルームスケールで宇宙最小の粒子の重さを量ることはできません。しかし、巧妙な新しい実験で、物理学者はそのような粒子の 1 つである陽子が以前考えられていたよりも軽いことを発見しました。
「これは、陽子の質量の大幅な改善です」と、タラハシーにあるフロリダ州立大学の物理学者、Edmund Myers は言います。 「彼らが成し遂げたことに穴は見当たりません。彼らは良い仕事をしました。」
陽子として知られる正に帯電した小さな粒子はどこにでもあります。それらはすべての原子の中心に生息し、太陽や他の星の大部分を構成しています.それらは非常に軽く、1 キログラムの 10 億分の 1 億分の 1 しかないため、通常の方法では重さを量ることができません。しかし、ここ数十年で、物理学者は、陽子の質量をより正確に測定するために、ペニングトラップと呼ばれる装置で強力な電場と磁場を組み合わせました。これらの実験では、電場と磁場がトラップ 陽子は磁場によって強制的に円を描くように移動します。回転している間、陽子はその質量に関連する周波数で振動または振動します。研究者は、この振動数を測定し、それを基準と比較することで陽子の質量を計算できます。通常は、12 原子質量単位として定義される炭素 12 原子の原子核です。
しかし、完璧な実験はありません。磁場は時間と空間で変化するため、わずかな測定誤差が生じます。これらの変動の影響を軽減するために、ドイツのマインツで働く物理学者のグループは、炭素原子核と陽子を別々の貯蔵トラップに入れ、測定トラップにすばやく出入りさせました。以前の実験では、核と陽子を入れ替えるのに 30 分以上を要したが、ドイツのグループは約 3 分しかかからず、エラーが蓄積する可能性を制限した。また、チームはさらに多くの動作検出器をセットアップに追加し、全体の精度が 32 ppt である測定を実現しました。
研究者は、質量が 1.007276466583 原子質量単位であることを発見しました。これは、過去の実験の平均値よりもおよそ 300 億分の 1 パーセント低い値です。一見わずかな違いですが、実際には標準偏差の 3 分の 1 の差があると、チームは今週 Physical Review Letters で報告しています。 . (比較すると、科学者は通常、実験結果が統計的に有意であるために十分な 2 つの標準偏差を考慮します。)
ドイツのハイデルベルグにあるマックス・プランク核物理学研究所の物理学者でグループのリーダーである Sven Sturm は、なぜ他の研究者がそのようなより高い質量を測定したのか定かではありませんが、彼は隠された誤差の原因を疑っています。しかし、彼のチームの結果は、2 つの陽子と 1 つの中性子でできているヘリウム 3 原子の質量の最近の測定値と以前の結果よりもよく一致していると彼は付け加えます。
ドイツのチームは現在、陽子イオンと炭素イオンを別々のトラップで同時に測定することにより、精度をさらに高めることを計画しています。これにより、磁場の変動による不確実性が排除されます。グループのメンバーの 1 人は、反陽子 (陽子の負に帯電したドッペルゲンガー) の重さを量ることも試みます。陽子と反陽子の質量のわずかな違いでさえ、私たちが見ている宇宙が物質でできており、反物質が非常にまれである理由を説明するのに役立ちます.
Sturm はまた、他の研究グループが独立した測定を行い、彼のチームの結果に隠れたエラーが含まれていないことを確認することも望んでいます。 (以前の測定値を提供した 2 つの主要なグループは、もはやアクティブではありません。) 「このレベルの精度で測定を行うグループが増えることを本当に嬉しく思います。値を実際に比較して、うまくいけば、それらが一貫していることを確認できます。」
*訂正、7 月 21 日午後 12 時 45 分: このストーリーは、ペニング トラップがどのように機能し、研究者が粒子の質量をどのように測定したかを明確にするために修正されています。
