Utilizando el primer método nuevo en medio siglo para medir el tamaño del protón mediante la dispersión de electrones, la colaboración PRad ha producido un nuevo valor para el radio del protón en un experimento realizado en la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía.

El resultado, publicado recientemente en la revista Naturaleza , es una de las mediciones más precisas a partir de experimentos de dispersión de electrones. El nuevo valor para el radio del protón que se obtuvo es 0.831 fm, que es menor que el valor de dispersión de electrones anterior de 0.88 fm y está de acuerdo con los resultados recientes de espectroscopía atómica muónica.

"Estamos felices de que años de arduo trabajo de nuestra colaboración estén llegando a su fin con un buen resultado que ayudará de manera crítica a la solución del llamado rompecabezas del radio de protones". "dice Ashot Gasparian, profesor de la Universidad Estatal A&T de Carolina del Norte y portavoz del experimento.

Toda la materia visible del universo está construida sobre una nube de tres quarks unidos con una fuerte fuerza energética. El protón ubicuo, que se encuentra en el corazón de cada átomo, ha sido objeto de numerosos estudios y experimentos destinados a revelar sus secretos. Todavía, un resultado inesperado de un experimento para medir el tamaño de esta nube, en términos de su radio de carga cuadrático medio, ha unido a los físicos atómicos y nucleares en una ráfaga de actividad para reexaminar esta cantidad básica del protón.

Antes de 2010, las mediciones más precisas del radio del protón provienen de dos métodos experimentales diferentes. En experimentos de dispersión de electrones, se disparan electrones a los protones, y el radio de carga del protón está determinado por el cambio en la trayectoria de los electrones después de que rebotan, o esparcirse de, el protón. En las mediciones de espectroscopía atómica, se observan las transiciones entre niveles de energía por electrones (en forma de fotones que son emitidos por los electrones) a medida que orbitan un pequeño núcleo. Los núcleos que se han observado típicamente incluyen hidrógeno (con un protón) o deuterio (con un protón y un neutrón). Estos dos métodos diferentes produjeron un radio de aproximadamente 0,88 femtómetros.

En 2010, Los físicos atómicos anunciaron los resultados de un nuevo método. Midieron la transición entre los niveles de energía de los electrones en órbita alrededor de átomos de hidrógeno fabricados en laboratorio que reemplazaron un electrón en órbita con un muón. que orbita mucho más cerca del protón y es más sensible al radio de carga del protón. Este resultado arrojó un valor 4% menor que antes, a aproximadamente 0,84 femtómetros.

En 2012, una colaboración de científicos dirigida por Gasparian se unió en el Laboratorio Jefferson para renovar los métodos de dispersión de electrones con la esperanza de producir una medida novedosa y más precisa del radio de carga del protón. Se le dio prioridad al experimento PRad como uno de los primeros experimentos en tomar datos y completar su ejecución luego de una actualización de la Instalación del Acelerador de Haz de Electrones Continuos. una instalación de usuarios del DOE para la investigación de la física nuclear. El experimento tomó datos de dispersión de electrones en el Salón Experimental B de Jefferson Lab en 2016.

"Cuando comenzamos este experimento, la gente buscaba respuestas. Pero para hacer otro experimento de dispersión electrón-protón, muchos escépticos no creían que pudiéramos hacer nada nuevo, "dice Gasparian." Si quieres pensar en algo nuevo, tienes que idear algunas herramientas nuevas, algún método nuevo. Y lo hicimos, hicimos un experimento que es completamente diferente de otros experimentos de dispersión de electrones ".

La colaboración instituyó tres nuevas técnicas para mejorar la precisión de la nueva medición. El primero fue la implementación de un nuevo tipo de sistema de destino sin ventanas, que fue financiado por una subvención de Instrumentación de Investigación Importante de la Fundación Nacional de Ciencias y fue desarrollado en gran medida, fabricado y operado por el grupo Target de Jefferson Lab.

El objetivo sin ventana hizo fluir gas hidrógeno refrigerado directamente en la corriente de electrones acelerados de 1,1 y 2,2 GeV de CEBAF y permitió que los electrones dispersos se movieran casi sin obstáculos hacia los detectores.

"Cuando decimos sin ventanas, estamos diciendo que el tubo está abierto al vacío del acelerador. Que parece una ventana, pero en la dispersión de electrones, una ventana es una cubierta de metal en el extremo del tubo, y esos han sido eliminados, "dice Dipangkar Dutta, co-portavoz del experimento y profesor de la Universidad Estatal de Mississippi.

"Así que esta es la primera vez que las personas ponen un objetivo de flujo de gas en la línea de luz en el Laboratorio Jefferson, "dice Haiyan Gao, un co-portavoz del experimento y profesor Henry Newson en la Universidad de Duke. "El vacío era bueno, para que podamos tener un haz de electrones atravesando nuestro objetivo para hacer el experimento, y de hecho tenemos un agujero en la lámina de entrada y otro en la lámina de salida. Esencialmente, el rayo acaba de pasar directamente al gas hidrógeno, sin ver ninguna ventana ".

La siguiente gran diferencia fue el uso de un calorímetro en lugar del espectrómetro magnético usado tradicionalmente para detectar electrones dispersos resultantes de los electrones entrantes que chocan contra los protones o electrones del hidrógeno. El calorímetro híbrido reutilizado HyCal midió las energías y posiciones de los electrones dispersos, mientras que un multiplicador de electrones de gas de nueva construcción, el detector GEM, también detectó las posiciones de los electrones con una precisión aún mayor.

A continuación, se compararon los datos de ambos detectores en tiempo real, lo que permitió a los físicos nucleares clasificar cada evento como una dispersión electrón-electrón o una dispersión electrón-protón. Este nuevo método de clasificar los eventos permitió a los físicos nucleares normalizar sus datos de dispersión electrón-protón a datos de dispersión electrón-electrón. reduciendo en gran medida las incertidumbres experimentales y aumentando la precisión.

La última gran mejora fue la ubicación de estos detectores muy cerca en una distancia angular de donde el haz de electrones golpeó el objetivo de hidrógeno. La colaboración pudo reducir esa distancia a menos de un grado.

"En la dispersión de electrones, para extraer el radio, tenemos que ir a un ángulo de dispersión lo más pequeño posible, "dice Dutta." Para obtener el radio del protón, necesitas extrapolar a un ángulo cero, al que no puede acceder en un experimento. Entonces, cuanto más cerca de cero puedas estar, el mejor."

"La región que exploramos está en un ángulo tan hacia adelante y en una transferencia de cuatro momentos tan pequeña al cuadrado que nunca antes se había alcanzado en la dispersión electrón-protón, "añade Mahbub Khandaker, co-portavoz del experimento y profesor de la Universidad Estatal de Idaho.

Los colaboradores dicen que el resultado es único, porque utilizó una nueva técnica a través de la dispersión de electrones para determinar el radio de carga del protón. Ahora, esperan comparar el resultado con las nuevas determinaciones espectroscópicas del radio del protón y las próximas mediciones de dispersión de electrones y muones que se están llevando a cabo en todo el mundo.

Más lejos, este resultado también arroja nueva luz sobre la conjetura de una nueva fuerza de la naturaleza que se propuso cuando surgió por primera vez el rompecabezas del radio del protón.

"Cuando apareció el rompecabezas inicial del radio de protones en 2010, había esperanza en la comunidad de que tal vez hayamos encontrado una quinta fuerza de la naturaleza, que esta fuerza actúa de manera diferente entre electrones y muones, ", dice Dutta." Pero el experimento PRad parece cerrar la puerta a esa posibilidad ".

Dicen que el siguiente paso es considerar realizar más investigaciones utilizando este nuevo método experimental para lograr mediciones de precisión aún mayor sobre este y temas relacionados. como el radio del deuterón, el núcleo del deuterio.

"Existe una gran posibilidad de que podamos mejorar nuestras mediciones en un factor de dos o tal vez incluso más, "Dice Gao.