불안정한 헬륨은 진행중인 서사시에 양성자의 크기를 제한합니다.

확대 / 농장으로 둘러싸인 스위스의 소형 입자 가속기.

주제를 연구하는 데 평생을 바친 물리학 자들은 물리학이 항상 깨지기를 바라기 때문에 물리학을별로 좋아하지 않는 것 같습니다. 하지만 우리는 그들을 용서해야합니다. 작은 이론이 실험 결과를 설명 할 수 없다는 발견은 우리에게 새로운 이론이 필요하다는 신호이며 어떤 물리학 자들도 흥분시킬 것입니다.

최근 몇 년 동안 더 분열 된 것처럼 보였던 것 중 하나는 겉보기에 단순 해 보이는 측정입니다. 양성자의 전하 반경은 물리적 크기를 측정하는 것입니다. 양성자를 공전하는 단일 전자를 가진 수소 원자로 측정 한 결과 한 가지 답이 나왔습니다. 전자가 뮤온 (muon)이라고하는 더 무거운 입자로 대체 된 측정은 우리에게 다른 답을 주었고 결과는 일관성이 없었습니다. 이 모순을 제거하기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 작아졌다하지만 사라지지 않았습니다.

이것이 이론가들이 타액을 분비하게하는 것입니다. 표준 모델에는 전자와 뮤온의 차이에 대한 공간이 없으므로 이것이 표준 모델이 잘못되었다는 신호일 수 있습니까? 이전 측정의 일부 배후 팀은 이제 헬륨 핵 궤도를 도는 뮤온의 행동을 추적하는 새로운 측정으로 돌아 왔습니다. 결과는 헬륨 전하의 반경에 대한 다른 측정 값과 일치하여 뮤온에 대해 재미있는 것이 없음을 나타냅니다. 따라서 스탠다드 모델은 안도의 한숨을 쉴 수 있습니다.

뮤온 측정?

관련된 측정은 간단히 말해서 매우 미친 것입니다. 뮤온은 기본적으로 전자의 무거운 사본이므로 원자에서 서로 대체하는 것은 비교적 간단합니다. 뮤온 질량은 이러한 유형의 측정에 몇 가지 이점을 제공합니다. 질량은 뮤온 궤도가 궁극적으로 파동 기능이 핵의 파동 기능을 방해하는 지점까지 압축되도록합니다. 결과적으로 핵 주위를 공전 할 때 뮤온의 거동은 핵 전하 반경에 매우 민감합니다.

뮤온이 불안정하고 일반적으로 2 마이크로 초 이내에 붕괴된다는 사실이 아니었다면이 모든 것이 좋을 것입니다. 헬륨 핵 주위의 궤도에 그들 중 하나를 배치하면 헬륨은 일반적으로 궤도에 두 개의 전자가 있고 서로 상호 작용할 수 있기 때문에 합병증이 증가합니다. 뮤온-전자 핵의 예상되는 삼중 상호 작용은 현재 우리가 계산할 수있는 능력을 넘어서고 있으며, 이는 실제 행동이 이론과 다른지 여부를 알 수 없음을 의미합니다.

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그래서 연구진은 헬륨 핵과 그 궤도를 도는 단일 뮤온으로 구성된 양전하 이온을 만들어이 문제를 해결했습니다. 이 중 하나를 만들거나 더 정확하게는 수백 개를 만드는 것이 열풍이 시작되는 곳입니다.

연구원들은 입자 충돌기에 의해 생성 된 뮤온 빔에 접근 할 수 있었고 빔을 일부 헬륨 가스로 보내기로 결정했습니다. 이 과정에서 뮤온이 들어 오면 헬륨 핵 주위를 공전 할 수있는 에너지가 많아서 주위를 튕겨서 충돌 할 때마다 에너지를 잃습니다. 뮤온이 충분히 느려지면 헬륨 원자의 고 에너지 궤도에 들어가 그 과정에서 전자 중 하나와 충돌 할 수 있습니다. 그러나 두 번째 전자는 여전히 거기에 있으며 가능한 측정을 엉망으로 만듭니다.

그러나 뮤온은 질량 때문에 많은 운동량을 가지고 있으며 원자 내부의 에너지 전달은 환경의 에너지 손실보다 빠릅니다. 따라서 뮤온이 에너지의 일부를 전자로 전달하는 동안 전자의 더 작은 질량은 이것이 원자에서 전자를 꺼내기에 충분하다는 것을 보장하여 헬륨 뮤온 이온을 남깁니다. 다행히도이 모든 일은 뮤온이 분해 할 기회가 없을 정도로 빠르게 일어났습니다.

광기를 시작하자

이 시점에서 뮤온은 일반적으로 낮은 에너지 궤도에 있지만 지상 상태보다 더 많은 에너지를 가지고 있습니다. 연구원들은 실험에서 뮤온의 출현에 민감한 방아쇠를 놓았습니다. 뮤온이 두 개의 전자를 방출 할 수 있도록 지연된 후 트리거는 레이저가 적절한 양의 에너지로 샘플을 쳐서 2S 궤도에서 2P 궤도로 뮤온을 증폭시킵니다. 거기에서지면 상태로 분해되고 그 과정에서 X-ray가 방출됩니다.

많은 뮤온은 2S 궤도에 있지 않으며 레이저는 그들에게 영향을 미치지 않습니다. 연구자들은 정확한 상태에있는 사람들을 정확하게 측정하기 위해 그들이 만든 많은 뮤온 헬륨을 기꺼이 희생했습니다. 그들의 존재는 적절한 에너지로 X-ray 감지로 표시되었습니다. 그들이 옳은 것을보고 있는지 확인하기 위해 연구자들은 뮤온 붕괴에 의해 생성 된 고 에너지 전자와 관련된 데이터 만 취했습니다.

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그리고이 모든 작업은 뮤온이 붕괴되기 전에 밀리 초 시간 내에 발생할 수있을만큼 빠르게 수행되어야했습니다.

첫 번째 단계는 2P 궤도에서 뮤온을 높이기 위해 사용 된 레이저를 올바른 주파수로 설정하는 것이 었습니다. 이것이 우리가 측정해야하는 값이기 때문입니다. 이것은 헬륨이 X- 레이를 생성하기 시작할 때까지 주파수 범위에 걸쳐 조정 가능한 레이저를 설정하여 수행되었습니다. 주파수가 결정되면 연구원들은 정확한 주파수 측정에 충분한 10 일 동안 데이터를 수집했습니다. 이 기간 동안 연구원들은 582 개의 헬륨 뮤온 이온을 관찰했습니다.

레이저 주파수를 사용한 계산을 기반으로 연구원들은 헬륨 코어의 전하 반경이 1.6782 펨토 미터임을 발견했습니다. 전자를 핵에서 반사시켜 측정 한 결과는 1.681을 나타냅니다. 이 두 값은 실험적 오류 중이므로 강력하게 동의합니다.

죄송합니다, 깨지지 않았습니다

간단히 말해서, 뮤온 측정이 독립적으로 수행 된 측정과 일치한다는 사실은 뮤온에 특별한 것이 없음을 나타냅니다. 따라서 동일한 것을 말하는 표준 모델은 여기에서 실험적 오류가 허용하는 다소 작은 정도까지 그대로 유지됩니다. (물론 그렇지 않으면 깨지지 않았다는 의미는 아닙니다.) 따라서 모든 이론가들은 실망 할 것입니다.

엔터테인먼트를 제쳐두고 연구원들은 그 가치를 CERN의 입자 가속기에서 수십 년 전에 생성 된 것과 비교했습니다. 이 값은 이전 작업에 두 가지 보상 오류가 있었기 때문에 우연히 만 같았습니다. 연구원들은“인용 된 전하 반경이 우리의 가치와 너무 멀지 않다”고 지적하지만 이것은 우연히 2P-2S 이론의 불완전한 예측과 결합 된 잘못된 실험의 당혹스러운 우연으로 거슬러 올라갈 수 있습니다. -거짓 값.”이 경우 두 가지 오류가 우리를 거의 옳게 만들었습니다.

그러나이 연구는 뮤온이 이상하다는 것을 우리가 비난 할 수 없기 때문에 양성자에 대한 다른 실험이 왜 계속해서 일치하지 않는 결과를 생성하는지 발견하는 데 연구자들의 관심을 집중시킬 것입니다. 한편, 우리 모두는 뮤온이있는 순간에 뮤온으로 얼마나 많은 일을 할 수 있는지에 대해 감사 할 수 있습니다.

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Nature, 2021. DOI : 10.1038 / s41586-021-03183-1 (DOI 정보).

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