Pomiar poziomów energii pozytronu wprawia naukowców w zakłopotanie

Pozyton jest bardzo zagadkowy.

Nowy pomiar egzotycznego „atomu” – składającego się z elektronu i jego antycząstki, pozytronu – nie zgadza się z obliczeniami teoretycznymi, donoszą naukowcy 14 sierpnia z Physical Review Letters.  Fizycy nie potrafią tego wyjaśnić.

Badacze twierdzą, że błąd w obliczeniach lub w eksperymencie wydaje się mało prawdopodobny. A nowe zjawiska, takie jak nieodkryte cząstki, również nie dają łatwej odpowiedzi, dodaje fizyk teoretyczny Jesús Pérez Ríos z Instytutu Fritza Habera Towarzystwa Maxa Plancka w Berlinie. „W tej chwili mogę powiedzieć, że nie wiemy” – mówi Pérez Ríos, który nie był zaangażowany w nowe badania.

Pozytonium składa się z elektronu o ładunku ujemnym, krążącego po orbicie z pozytonem, z ładunkiem dodatnim – co w praktyce jest atomem bez jądra. Dzięki zaledwie dwóm cząstkom i wolnym od złożoności jądra pozytronium jest niezwykle proste. Jego prostota oznacza, że ​​można go wykorzystać do dokładnego przetestowania teorii elektrodynamiki kwantowej, która wyjaśnia, jak oddziałują na siebie cząstki naładowane elektrycznie.

Zespół fizyków z University College London zmierzył separację między dwoma określonymi poziomami energii pozytronu, tak zwanej jego subtelnej struktury. Naukowcy utworzyli pozytronium, zderzając wiązkę pozytonów z celem, gdzie spotkał się z elektronami. Po zmanipulowaniu atomów pozytonu za pomocą lasera, aby ustawić je na odpowiednim poziomie energii, zespół uderzył w nie promieniowaniem mikrofalowym, aby skłonić niektóre z nich do przeskoczenia na inny poziom energii.

Naukowcy określili częstotliwość promieniowania potrzebną do wykonania skoku atomów, co jest równoznaczne ze znalezieniem wielkości przerwy między poziomami energii. Podczas gdy częstotliwość przewidywana na podstawie obliczeń wynosiła około 18 498 MHz, naukowcy zmierzyli około 18 501 MHz, co stanowi różnicę około 0,02%. Biorąc pod uwagę, że szacowany błąd eksperymentalny wyniósł tylko około 0,003 procent, jest to duża luka.

Zespół szukał problemów eksperymentalnych, które mogłyby wyjaśnić wynik. Potrzebne są teraz dodatkowe eksperymenty, które pomogą zbadać niedopasowanie, mówi fizyk Akira Ishida z Uniwersytetu Tokijskiego, który nie był zaangażowany w badanie. „Jeśli po dalszych precyzyjnych pomiarach nadal występuje znaczna rozbieżność, sytuacja staje się znacznie bardziej ekscytująca”.

Teoretyczne przewidywania również wydają się solidne. W elektrodynamice kwantowej prognozowanie obejmuje obliczenia do pewnego poziomu precyzji, pomijając terminy, które są mniej istotne i trudniejsze do obliczenia. Oczekuje się, że te dodatkowe warunki będą zbyt krótkie, aby uwzględnić rozbieżność. Ale „można sobie wyobrazić, że możesz być zaskoczony”, mówi fizyk teoretyczny Greg Adkins z Franklin & Marshall College w Lancaster w Pensylwanii, również nie zaangażowany w badania.

Jeśli eksperymenty i obliczenia teoretyczne się sprawdzą, rozbieżność może wynikać z nowej cząstki, ale to również wydaje się mało prawdopodobne. Efekty nowej cząstki prawdopodobnie pojawiłyby się we wcześniejszych eksperymentach. Na przykład, mówi Pérez Ríos, hipotetyczna cząstka podobna do aksjonu może wpływać na poziomy energii pozytronium. To lekka cząstka, która może wyjaśnić ciemną materię, niewidzialny rodzaj materii, który, jak się uważa, przenika wszechświat. Ale gdyby ten typ cząstki powodował to niedopasowanie, naukowcy mogliby również zauważyć jego wpływ w pomiarach właściwości magnetycznych elektronu i jego cięższego kuzyna, mionu.

To sprawia, że ​​naukowcy wciąż szukają odpowiedzi, mówi fizyk David Cassidy, współautor badania. „To będzie coś zaskakującego. Po prostu nie wiem co ”.

Źródło: Emily Conover

L. Gurung et al. Precision microwave spectroscopy of the positronium n = 2 fine structurePhysical Review Letters. Vol. 125, August 14, 2020, p. 073002.

Zdjęcia: T. TIBBITTS

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x