ここに奇妙な小さな話があります。 2 人の物理学者が 2 つのイオンを電磁トラップに閉じ込め、何週間も連続して周回させて、その質量を非常に正確に比較しました。その測定値と別のチームから借りたものから、彼らは陽子の質量のこれまでで最も正確な推定値を導き出しました:1.007276466574 原子質量単位 (amu)、±10兆分の amu。陽子の質量を正確に知ることは、科学者が新しい力を探すのに役立つため、この小さな数は大きな問題になる可能性があります。
「これは非常に美しい技術です」と、この研究には関わっていないセントラル ミシガン大学の核物理学者マシュー レッドショーは言います。アムステルダム自由大学の原子・分子物理学者である Jeroen Koelemeij も同意見です。 「アイデアを思いついただけで、彼らの功績を称えます。」
陽子などの軽い原子核の質量を決定するために、科学者は高校生になじみのある物理学に頼っています。陽子のような荷電粒子を磁場を通して垂直に発射すると、磁場が粒子を横に押して、粒子の質量を明らかにする周波数で円を描くようにします。実際には、測定の精度を向上させるために、物理学者は 2 つの異なる種類の粒子の周波数を比較して、それらの質量の比率を測定します。
たとえば、2020 年にフロリダ州立大学の原子物理学者である Edmund Myers と David Fink は、重陽子、陽子と中性子からなる原子核、水素の電離分子の質量比を測定しました。単一の電子を共有する陽子。 2 つの粒子は同じ電荷とほぼ同じ質量を持っているため、ほぼ同じ周波数で周回し、測定の精度が向上します。
重陽子と水素イオンを同じ条件下で軌道に乗せるため、マイヤーズとフィンクはこの 2 つを一度に何週間も同じ電磁トラップに入れました。 1 つは幅 4 mm の大きな軌道に駐車し、もう 1 つはトラップの中心にある直径 40 マイクロメートルの軌道で回転を測定し、10 分ごとに交換しました。ただし、その手法でも、2 つの粒子の測定値を正確に比較するには不十分でした。 「この 10 分間で、磁場が変化する可能性があります」と Myers 氏は言います。
Myers と Fink は、この問題を解決しました。マサチューセッツ工科大学で 20 年前に開発された技術を復活させ、重陽子と水素イオンをトラップの中心で同時に回転させ、まったく同じ磁場の中を移動させました。研究者は、イオンの周波数を以前よりも 4 倍高い精度で比較しました。いくつかの理論的結果を使用して、重陽子と陽子の質量比を 4.5 兆分の 1 に決定することができました。 .
「エドは自分でトランペットを吹くのが好きではありませんが、これはこれまでで最も正確な質量比測定の 1 つです」と Redshaw は言います。
最後に、陽子の質量を推定するために、マイヤーズとフィンクは、マックス プランク核物理学研究所の物理学者が率いる共同研究によって昨年発表された重陽子質量の非常に正確な測定値とそれらの比率を組み合わせました。 (そのチームは、トラップを使用して、重陽子と炭素 12 イオンの軌道周波数を比較しました。定義により、炭素 12 原子の質量は正確に 12 amu です。) 新しい陽子質量推定値の不確実性は 5 分の 1 です。これは、国際科学会議のデータ委員会 (CODATA) によってリストされた公式平均値の 1 つであり、マックス プランク グループの世界をリードする測定値の 3 分の 1 です。 3 つの結果はすべて一致しています。
では、陽子質量の新しい値を鉛筆で書く時が来ましたか?おそらくまだだろう、とマイヤーズは言う。彼と Fink は、電子ビームを使用して水素分子から電子をノックアウトすることにより、トラップされた水素イオンを生成しました。その激しいプロセスにより、イオンは振動し、内部エネルギーで回転します。アルバート アインシュタインの相対性理論が述べているように、そのエネルギーは質量に相当し、イオンの測定された質量をわずかに押し上げます。これは、マイヤーズとフィンクが修正しなければならなかった効果です。
量子力学によれば、イオンの振動エネルギーまたは回転エネルギーの量は、離散的なステップで発生します。実験者は、イオンが振動エネルギーを 1 段階ずつ放出するにつれて、イオンの質量が減少するのを見ることができました。しかし、各ステップでどのくらいの回転エネルギーがあったかを推定するために、Myers と Fink は理論に基づく推論に頼っていたため、不確実性が生じました。
チームがこれらの割り当てを正確に正しく行っていない場合でも、データは、陽子質量の推定値の不確実性が約 16 ppt よりも大きくない可能性が高いことを示唆しており、これまでで最も正確な値のままである. Koelemeij 氏によると、彼のチームはレーザーを使用して、既知の振動および回転状態で水素イオンを生成およびトラップしています。この手法を Myers や Fink の手法と組み合わせて、不確実性をさらに減らすことができるかもしれない、と彼は言います。
陽子と重陽子の質量の超精密測定は、重陽子と水素原子でできた分子の量子状態を予測するために使用でき、レーザーで調べることができます。予測からの逸脱は、自然の追加の力など、新しい物理現象の兆候です。可能性は低いですが、そのような発見はすべての物理学を混乱させるでしょう.
