Πώς μετράμε κάτι που ζυγίζει μερικά εκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δισεκατομμυριοστού του ενός γραμμαρίου; Με ηλεκτρομαγνητική ζυγαριά, φυσικά.

Διεθνής ερευνητική ομάδα αναφέρει ότι ζύγισε το πρωτόνιο με νέα επίπεδα ακρίβειας, και το βρήκε λίγο πιο ελαφρύ σε σχέση με προηγούμενες μετρήσεις.

Και η νέα μέτρηση ίσως οδηγήσει σε νέες ανακαλύψεις που αφορούν την αντιύλη, λένε οι ερευνητές.

Το πρωτόνιο είναι ένα υποατομικό σωματίδιο με θετικό ηλεκτρικό φορτίο, το οποίο υπάρχει στους πυρήνες όλων των ατόμων. Το απλούστερο ισότοπο υδρογόνου, για παράδειγμα, αποτελείται από ένα πρωτόνιο γύρω από το οποίο περιφέρεται ένα ηλεκτρόνιο. Όσα περισσότερα είναι τα πρωτόνια στον πυρήνα ενός στοιχείου, τόσο βαρύτερο είναι το στοιχείο αυτό.

Η ομάδα του ινστιτούτου RIKEN στην Ιαπωνία και του Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής «Μαξ Πλανκ» στη Γερμανία χρησιμοποίησαν μια συσκευή που ονομάζεται «παγίδα Πέννινγκ» και χρησιμοποιείται για την απομόνωση και μελέτη φορτισμένων σωματιδίων.

Στη συσκευή αυτή, ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο κρατά το πρωτόνιο εγκλωβισμένο σε έναν μικρό χώρο, ενώ ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο αναγκάζει το σωματίδιο να κινείται σε κύκλους. Καθώς περιφέρεται, το πρωτόνιο ταλαντώνεται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα που εξαρτάται από τη μάζα του. Η συχνότητα αυτή συγκρίνεται στη συνέχεια με την αντίστοιχη συχνότητα μιας μάζας αναφοράς, η οποία ήταν στη συγκεκριμένη περίπτωση ο πυρήνας ενός ατόμου άνθρακα-12. Εξ ορισμού, ο πυρήνας αυτός ισούται με 12 μονάδες ατομικής μάζας.

Παλιό και νέο βάρος

Προηγούμενες μετρήσεις που ακολουθούσαν την ίδια μεθοδολογία έπασχαν από σφάλματα λόγω διακυμάνσεων του μαγνητικού πεδίου στο χώρο και το χρόνο. Για αντιμετωπίσουν το πρόβλημα, η γερμανο-ιαπωνική ομάδα τοποθέτησε το πρωτόνιο και το άτομο άνθρακα σε ξεχωριστές ηλεκτρομαγνητικές παγίδες, οι οποίες στη συνέχεια περνούσαν διαδοχικά από την παγίδα μέτρησης. Ενώ προηγούμενα πειράματα χρειάζονταν μισή ώρα για να αντικαταστήσουν τα δύο σωματίδια στην παγίδα μέτρησης, η τελευταία μέτρηση χρειαζόταν μόλις 3 λεπτά, κάτι που μείωνε την πιθανότητα συσσώρευσης λαθών.

Σύμφωνα με τη μελέτη που παρουσιάζεται στο Physical Review Letters, η μάζα του πρωτονίου ισούται με 1,007276466583 μονάδες ατομικής μάζας.

Η τιμή αυτή προσφέρει ακρίβεια 32 μερών ανά τρισεκατομμύριο και είναι τρεις φορές πιο ακριβής σε σχέση με τις προηγούμενες μετρήσεις, καμαρώνουν οι ερευνητές.

Επόμενος στόχος τους είναι να μετρήσουν με την ίδια μέθοδο τη μάζα του αντιπρωτονίου, ενός φευγαλέου σωματιδίου της αντιύλης που έχει περίπου ίδιες ιδιότητες με το πρωτόνιο αλλά με αρνητικό αντί για θετικό φορτίο.

Ακόμα και μια απειροελάχιστη διαφορά στις μάζες του πρωτονίου και του αντιπρωτονίου θα βοηθούσε τους φυσικούς να εξηγήσουν γιατί το Σύμπαν αποτελείται κυρίως από κανονική ύλη, ενώ η αντιύλη είναι εξαιρετικά σπάνια.

Ένα μεγάλο μυστήριο της Κοσμολογίας θα μπορούσε να λυθεί με τη βοήθεια μιας ζυγαριάς ακριβείας.

Newsroom ΔΟΛ