Międzynarodowy zespół naukowców, którym przewodził szwajcarski Instytut Paula Scherrera (PSI), zmierzył rozmiar jądra jednego z atomów: mionowego helu-3, uzyskując niespotykaną dotąd precyzję. Wynik to 1,97007 femtometra. Jeden femtometr to dziesięć do minus piętnastej metra, czyli jedna milionowa jednej miliardowej części metra. Nowy wynik jest zgodny z wcześniejszymi pomiarami, ale ma około 15 razy lepszą dokładność.

W uzyskaniu rezultatu współpracowało ponad 40 badaczy. W akceleratorze protonów wytworzono tzw. mionowy hel-3. Hel-3 to lżejsza odmiana zwykłego helu (helu-4). Hel-4 ma dwa protony i dwa neutrony, natomiast hel-3 zawiera dwa protony i jeden neutron. Oba te izotopy helu są trwałe.

W eksperymencie nie stosowano jednak zwykłego helu-3, tylko mionowy hel-3, czyli taką jego wersję, w której dwa elektrony zastąpiono mionami. Miony to cząstki elementarne pokrewne z elektronami. Mają takie same własności, jak elektrony, ale około 200 razy większa masę, przez co znajdują się bliżej jądra atomu. Dzięki temu jądro i mion „czują” siebie intensywniej (ich funkcje falowe bardziej się nakładają). Przez to miony są idealnym próbnikiem do pomiaru jądra i promienia jego ładunku – obszaru, w którym znajduje się pozytywny ładunek jądra. Promień ładunku nie zmienia się, gdy elektrony zostają zastąpione mionami.

W skomplikowanym eksperymencie potrzebne było dużo negatywnie naładowanych mionów, które musiały mieć niską energię – być bardzo powolne (jak na standardy fizyki cząstek). W akceleratorze PSI można generować około 500 mionów na sekundę o energiach jednego kiloelektronowolta. To unikalna cecha tego akceleratora w porównaniu z innymi tego rodzaju urządzeniami na świecie.

Istotny był też laser opracowany przez eksperymentatorów. Wyzwaniem było to, że laser musi zostać uruchomiony natychmiast, gdy mion wleci do obszaru eksperymentu. Aby stało się to możliwe, przed pozbawioną powietrza komorą eksperymentalną zainstalowano bardzo cienki detektor foliowy. Jego zadaniem było wykrycie, gdy mion przechodzi przez folię. Wtedy następował sygnał dla lasera, aby wyemitować światło.

Sam pomiar promienia ładunku był pośredni, poprzez pomiar częstotliwości światła lasera. Gdy częstotliwość lasera idealnie pasuje do rezonansu odpowiedniego przejścia atomowego, mion zostaje na chwilę wzbudzony do wyższego stanu energetycznego, po czym powraca do stanu podstawowego w ciągu pikosekund (bilionowych części sekundy), emitując foton promieniowania rentgenowskiego. Znalezienie częstotliwości rezonansowej, dla której zachodzi takie przejście wymaga wiele prób, ale dało efekt w postaci niezwykle precyzyjnego pomiaru promienia jądra.

Najnowsze wyniki badań ukazały się w „Science”, pierwszym autorem pracy jest Aldo Antognini. Natomiast wcześniej udało się zmierzyć rozmiary mionowego helu-4 oraz jądra mionowego wodoru i deuteru. Kolejne eksperymenty są obecnie prowadzone w Amsterdamie (Holandia), Garching (Niemcy) i Chinach.(PAP)

cza/ agt/