प्रोटॉन त्रिज्या पहेली: Difference between revisions

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प्रोटॉन त्रिज्या कूटप्रश्न भौतिकी में प्रोटॉन के आकार से संबंधित अनुत्तरित समस्याओं की अनुत्तरित सूची है।[1] ऐतिहासिक रूप से प्रोटॉन प्रभार त्रिज्या को दो स्वतंत्र तरीकों से मापा गया था, जो लगभग 0.877 फेम्टोमीटर (1 fm = 10−15 m) के मान में परिवर्तित हो गया था। इस मान को 2010 के प्रयोग द्वारा एक तीसरी विधि का उपयोग करके चुनौती दी गई थी, जिसने 0.842 फेम्टोमीटर पर इससे लगभग 4% कम त्रिज्या का उत्पादन किया। 2019 की शरद ऋतु में प्रतिवेदन किए गए नए प्रायोगिक परिणाम छोटे माप से सहमत हैं, जैसा कि 2022 में प्रकाशित पुराने आंकड़ों का पुन: विश्लेषण करता है। जबकि कुछ का मानना ​​है कि यह अंतर हल हो गया है, यह राय अभी तक सार्वभौमिक रूप से आयोजित नहीं हुई है।[2][3]


समस्या

2010 से पहले, प्रोटॉन आवेश त्रिज्या को दो विधियों में से एक का उपयोग करके मापा जाता था: एक स्पेक्ट्रोमिकी पर निर्भर है, और एक परमाणु बिखरने पर निर्भर है।[4]


स्पेक्ट्रोमिकी विधि

स्पेक्ट्रोमिकी विधि नाभिक की परिक्रमा करने वाले इलेक्ट्रॉनों (अतिसूक्ष्म परमाणु) के ऊर्जा स्तरों का उपयोग करती है। ऊर्जा स्तरों के सटीक मान नाभिक में आवेश के वितरण के प्रति संवेदनशील होते हैं। यह अप्रत्यक्ष रूप से हाइड्रोजन (उदजन) के लिए, प्रोटॉन प्रभार त्रिज्या को मापता है जिसके नाभिक में केवल प्रोटॉन होता है। हाइड्रोजन के ऊर्जा स्तरों के मापन अब इतने सटीक हैं कि प्रायोगिक परिणामों की सैद्धांतिक गणनाओं से तुलना करते समय प्रोटॉन त्रिज्या की सटीकता सीमित कारक है। यह विधि लगभग 1% सापेक्ष अनिश्चितता के साथ प्रोटॉन त्रिज्या 0.8768(69) fm उत्पन्न करती है।[5]


परमाणु प्रकीर्णन

परमाणु विधि रदरफोर्ड के प्रकीर्णन के समान है। रदरफोर्ड के प्रकीर्णन प्रयोगों ने नाभिक के अस्तित्व को स्थापित किया था। इलेक्ट्रॉनों जैसे छोटे कणों को प्रोटॉन पर छोड़ा जा सकता है, और इलेक्ट्रॉनों के बिखराव को मापने के द्वारा प्रोटॉन के आकार का अनुमान लगाया जा सकता है। स्पेक्ट्रोमिकी पद्धति के अनुरूप, यह लगभग प्रोटॉन त्रिज्या 0.8775(5) fm उत्पन्न करता है। [6]


2010 प्रयोग

2010 में, पोहल एट अल. सामान्य हाइड्रोजन के विपरीत म्यूओनिक हाइड्रोजन पर निर्भर एक प्रयोग के परिणाम प्रकाशित किए थे। संकल्पनात्मक रूप से, यह स्पेक्ट्रोमिकी विधि के समान है। हालांकि, म्यूऑन का बहुत अधिक द्रव्यमान इसे इलेक्ट्रॉन की तुलना में हाइड्रोजन नाभिक के 207 गुना करीब परिक्रमा करने का कारण बनता है, जहां यह प्रोटॉन के आकार के प्रति अधिक संवेदनशील होता है। परिणामी त्रिज्या 0.842(1) fm के रूप में दर्ज किया गया था, 5 मानक विचलन (5σ) पिछले मापों से छोटा है।[5][7] नई मापी गई त्रिज्या पिछले मापों से 4% छोटी है, जो 1% के भीतर सटीक माना जाता था। (नए माप की अनिश्चितता की सीमा केवल 0.1% है, विसंगति के लिए नगण्य योगदान देता है।)[8]

2010 के बाद से, पिछले तरीकों के साथ इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करने वाले अतिरिक्त मापों ने अनुमानित त्रिज्या 0.8751(61) fm को थोड़ा कम कर दिया है,[9] लेकिन अनिश्चितता को और भी कम करके म्यूओनिक हाइड्रोजन प्रयोग के साथ असहमति 7σ से अधिक हो गई है।

अगस्त 2016 में पोहल एट अल द्वारा अनुवर्ती प्रयोग ने म्यूओनिक ड्यूटेरियम बनाने के लिए ड्यूटेरियम परमाणु का उपयोग किया और ड्यूटेरॉन त्रिज्या का माप लिया। इस प्रयोग ने माप को 2.7 गुना अधिक सटीक होने की अनुमति दी गई, लेकिन अपेक्षित मान से कम 7.5 मानक विचलन की विसंगति भी पाई गई।[10][11] 2017 में मैक्स-प्लैंक-परिमाण प्रकाशिकी संस्थान के समूह ने एक और प्रयोग किया, इस बार हाइड्रोजन परमाणुओं का उपयोग किया गया जो दो अलग-अलग लेज़रों द्वारा उत्तेजित किया गया था। 2S से 2P अवस्था में हाइड्रोजन परमाणुओं को उत्तेजित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा को मापकर, परिमाण स्थिरांक की गणना की जा सकती है, और इससे प्रोटॉन त्रिज्या का अनुमान लगाया जा सकता है। परिणाम फिर से पहले से स्वीकृत प्रोटॉन त्रिज्या से ~ 5% छोटा है।[4][12] 2019 में, एक अन्य प्रयोग ने एक विधि का उपयोग करके प्रोटॉन आकार के माप की सूचना दी, जो कि रिडबर्ग स्थिरांक से स्वतंत्र था- इसका परिणाम, 0.833 फेम्टोमीटर, 2010 के छोटे मूल्य के साथ एक बार फिर सहमत हुआ।[13]


प्रस्तावित संकल्प

विसंगति अनुत्तरित बनी हुई है और अनुसंधान का सक्रिय क्षेत्र है। पुराने आंकड़े की वैधता पर संदेह करने का अभी तक कोई निर्णायक कारण नहीं है।[4] अन्य समूहों के लिए विसंगति को पुन: उत्पन्न करने के लिए तत्काल चिंता है।[4]

प्रायोगिक साक्ष्य की अनिश्चित प्रकृति ने सिद्धांतकारों को परस्पर विरोधी परिणामों की व्याख्या करने का प्रयास करने से नहीं रोका था। अभिग्रहित किए गए स्पष्टीकरणों में त्रिपिंड बल हैं,[14] गुरुत्वाकर्षण और शक्तिहीन बल के बीच पारस्परिक प्रभाव, या पुट (कण भौतिकी)-निर्भर पारस्परिक प्रभाव,[15][7] आयाम (भौतिकी) गुरुत्वाकर्षण,[16] नया बोसॉन,[17] और अर्ध-मुक्त
π+
 होती है।[lower-alpha 1]

माप कलाकृति

कूटप्रश्न के मूल अन्वेषक, रैंडोल्फ पोहल ने कहा कि यदि यह पहेली एक खोज की ओर ले जाती है तो यह "अद्भुत" होगा, सबसे अधिक संभावना स्पष्टीकरण नई भौतिकी नहीं है, लेकिन कुछ मापन शिल्पकृति है। उनकी व्यक्तिगत धारणा यह है कि पिछले मापों ने रिडबर्ग स्थिरांक को गलत बताया है और यह कि वर्तमान आधिकारिक प्रोटॉन आकार गलत है।[19]


परिमाण क्रोमोडायनामिक गणना

बेलुश्किन एट अल द्वारा (2007) एक पत्रक में [20] विभिन्न बाधाओं और पर्टर्बेशन सिद्धांत (परिमाण यांत्रिकी) परिमाण क्रोमोडायनामिक्स सहित, तत्कालीन स्वीकृत 0.877 फेमटोमेट्रेस की तुलना में एक छोटे प्रोटॉन त्रिज्या की भविष्यवाणी की गई थी।[20]


प्रोटॉन त्रिज्या बहिर्वेशन

2016 के दस्तावेज ने सुझाव दिया कि समस्या बहिर्वेशन के साथ थी जो सामान्यतः इलेक्ट्रॉन बिखरने वाले आंकड़े से प्रोटॉन त्रिज्या निकालने के लिए उपयोग की जाती थी।[21][22][23] हालांकि इन स्पष्टीकरणों की यह आवश्यकता होगी कि परमाणु मेम्ने स्थानान्तरण मापन के साथ भी कोई समस्या हो।

आंकड़े विश्लेषण विधि

नई भौतिकी के बिना कूटप्रश्न को हल करने के प्रयासों में से एक, अलारकोन एट अल. (2018)[24] जेफरसन लैब ने प्रस्तावित किया है कि प्रायोगिक बिखरने वाले आंकड़े को सैद्धांतिक रूप से और साथ ही विश्लेषणात्मक रूप से उचित तरीके से अनुरूप करने के लिए एक अलग तकनीक है और उपस्थित इलेक्ट्रॉन बिखरने वाले आंकड़े से प्रोटॉन प्रभार त्रिज्या का उत्पादन करती है जो म्यूओनिक हाइड्रोजन माप के अनुरूप है।[24] प्रभावी रूप से, यह दृष्टिकोण प्रायोगिक आंकड़े से प्रोटॉन प्रभार त्रिज्या के निष्कर्षण के लिए सैद्धांतिक रूप से प्रेरित फलन का उपयोग करने में विफलता के लिए प्रोटॉन त्रिज्या कूटप्रश्न का कारण बनता है। एक अन्य नवीन पत्रक ने बताया है कि कैसे सरल, फिर भी सिद्धांत से प्रेरित पिछले आक्षेप में परिवर्तन भी छोटे त्रिज्या देगा। रेफरी>बारकस, स्कॉट के.; हिगिनबोथम, डगलस डब्ल्यू.; मैकक्लेलन, रान्डेलl ई. (10 जुलाई 2020). "कैसे विश्लेषणात्मक विकल्प लोचदार इलेक्ट्रॉन (अतिसूक्ष्म परमाणु) बिखरने वाले अनुप्रस्थ काट सम्मुच्चय से विद्युत चुम्बकीय रूप कारकों के निष्कर्षण को प्रभावित कर सकते हैं". भौतिक समीक्षा सी. 102 (1): 015205. arXiv:1902.08185. Bibcode:2020PhRvC.102a5205B. doi:10.1103/PhysRevC.102.015205. S2CID 146808413. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)</ref>

2019 माप

सितंबर 2019 में, बेजगिनोव एट अल. इलेक्ट्रॉनिक हाइड्रोजन के लिए प्रोटॉन के प्रभार त्रिज्या के पुनर्माप की सूचना दी और मुओनिक हाइड्रोजन के लिए पोहल के मान के अनुरूप परिणाम पाया।[25] नवंबर में डब्ल्यू जिओंग एट अल. बेहद कम गति हस्तांतरण इलेक्ट्रॉन बिखरने का उपयोग करके एक समान परिणाम की सूचना दी।[26]

उनके परिणाम छोटे प्रोटॉन आवेश त्रिज्या का समर्थन करते हैं, लेकिन यह स्पष्ट नहीं करते कि 2010 से पहले के परिणाम बड़े क्यों निकले। यह संभावना है कि भविष्य के प्रयोग प्रोटॉन त्रिज्या कूटप्रश्न को समझाने और व्यवस्थित करने में सक्षम होंगे।[27]


2022 का विश्लेषण

फरवरी 2022 में प्रकाशित प्रायोगिक आंकड़े के पुन: विश्लेषण से लगभग 0.84 fm के छोटे मान के अनुरूप परिणाम मिला।[28][29]


फुटनोट्स

  1. ↑ According to a report by Lestone (2017),[18] "Muonic hydrogen (μp) and muonic deuterium (μd) Lamb shifts can be obtained to better than 1% via simple methods. The smallness of the muon fuzziness suggests that the associated Lamb shifts need to be calculated including some aspects of the internal degrees of freedom of the proton. If the charge of the proton is assumed to be contained within a quasi-free
    π+
     for half of the time, then the calculated μp and μd Lamb shifts are consistent with experiment without any need for a change in the proton radius. ... As a simple approximation, we here assume that the proton can be thought of as spending approximately half its time as a neutron with a nearby quasi-free
    π+
     with an inertia of approximately 140 MeV."[18]

संदर्भ

  1. ↑ Krauth, J. J.; Schuhmann, K.; Abdou Ahmed, M.; Amaro, F. D.; Amaro, P.; et al. (2 June 2017). The proton radius puzzle. 52nd Rencontres de Moriond EW 2017. La Thuile, Aosta Valley. arXiv:1706.00696. Bibcode:2017arXiv170600696K. Presentation slides (19 March 2017).
  2. ↑ Karr, Jean-Philippe; Marchand, Dominique (2019). "प्रोटॉन-त्रिज्या पहेली पर प्रगति". Nature. 575 (7781): 61–62. Bibcode:2019Natur.575...61K. doi:10.1038/d41586-019-03364-z. PMID 31695215.
  3. ↑ Hill, Heather (6 November 2019). "प्रोटॉन त्रिज्या पहेली हल हो सकती है". Physics Today. doi:10.1063/PT.6.1.20191106a. ISSN 1945-0699. S2CID 241132004.
  4. ↑ 4.0 4.1 4.2 4.3 Davide Castelvecchi (5 October 2017). "प्रोटॉन के आकार की पहेली गहरी होती है". Nature. doi:10.1038/nature.2017.22760.
  5. ↑ 5.0 5.1 Pohl R, Antognini A, Nez F, Amaro FD, Biraben F, et al. (July 2010). "प्रोटॉन का आकार" (PDF). Nature. 466 (7303): 213–216. Bibcode:2010Natur.466..213P. doi:10.1038/nature09250. PMID 20613837. S2CID 4424731.
  6. ↑ Sick I, Trautmann D (2014). "प्रोटॉन जड़-माध्य-वर्ग त्रिज्या और इलेक्ट्रॉन प्रकीर्णन". Physical Review C. 89 (1): 012201. arXiv:1407.1676. Bibcode:2014PhRvC..89a2201S. doi:10.1103/PhysRevC.89.012201. S2CID 118615444.
  7. ↑ 7.0 7.1 Zyga, Lisa (November 26, 2013). "क्वांटम गुरुत्व द्वारा प्रोटॉन त्रिज्या पहेली को हल किया जा सकता है". Phys.org. Retrieved September 2, 2016.
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  9. ↑ "CODATA Internationally recommended 2014 values of the Fundamental Physical Constants: Proton RMS charge radius rp".
  10. ↑ Pohl R, et al. (2016). "म्यूओनिक ड्यूटेरियम की लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी". Science. 353 (6300): 669–673. Bibcode:2016Sci...353..669P. doi:10.1126/science.aaf2468. hdl:10316/80061. PMID 27516595. S2CID 206647315.
  11. ↑ "प्रोटॉन-त्रिज्या पहेली गहरी होती है". CERN Courier. 16 September 2016. After our first study came out in 2010, I was afraid some veteran physicist would get in touch with us and point out our great blunder. But the years have passed, and so far nothing of the kind has happened.
  12. ↑ Beyer, Axel; Maisenbacher, Lothar; Matveev, Arthur; Pohl, Randolf; Khabarova, Ksenia; Grinin, Alexey; Lamour, Tobias; Yost, Dylan C.; Hänsch, Theodor W.; Kolachevsky, Nikolai; Udem, Thomas (2017). "Rydberg स्थिरांक और परमाणु हाइड्रोजन से प्रोटॉन आकार". Science. 358 (6359): 79–85. Bibcode:2017Sci...358...79B. doi:10.1126/science.aah6677. PMID 28983046. S2CID 206652697.
  13. ↑ Bezginov, N.; Valdez, T.; Horbatsch, M.; Marsman, A.; Vutha, A. C.; Hessels, E. A. (5 September 2019). "परमाणु हाइड्रोजन लैम्ब शिफ्ट और प्रोटॉन चार्ज त्रिज्या का माप". Science. 365 (6457): 1007–1012. Bibcode:2019Sci...365.1007B. doi:10.1126/science.aau7807. PMID 31488684. S2CID 201845158.
  14. ↑ Karr, J.; Hilico, L. (2012). "थ्री-बॉडी फिजिक्स प्रोटॉन-रेडियस पहेली को हल क्यों नहीं करता है". Physical Review Letters. 109 (10): 103401. arXiv:1205.0633. Bibcode:2012PhRvL.109j3401K. doi:10.1103/PhysRevLett.109.103401. PMID 23005286. S2CID 12752418.
  15. ↑ Onofrio, R. (2013). "फर्मी पैमाने पर प्रोटॉन त्रिज्या पहेली और क्वांटम गुरुत्व". EPL. 104 (2): 20002. arXiv:1312.3469. Bibcode:2013EL....10420002O. doi:10.1209/0295-5075/104/20002. S2CID 119243594.
  16. ↑ Dahia, F.; Lemos, A.S. (2016). "Is the proton radius puzzle evidence of extra dimensions?". European Physical Journal. 76 (8): 435. arXiv:1509.08735. Bibcode:2016EPJC...76..435D. doi:10.1140/epjc/s10052-016-4266-7. S2CID 118672005.
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  18. ↑ 18.0 18.1 Lestone, J.P. (4 October 2017). Muonic atom Lamb shift via simple means (Report). Los Alamos Report. Los Alamos National Laboratory. LA-UR-17-29148.
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  21. ↑ Higinbotham, Douglas W.; Kabir, Al Amin; Lin, Vincent; Meekins, David; Norum, Blaine; Sawatzky, Brad (31 May 2016). "इलेक्ट्रॉन प्रकीर्णन डेटा से प्रोटॉन त्रिज्या". Physical Review C. 93 (5): 055207. arXiv:1510.01293. Bibcode:2016PhRvC..93e5207H. doi:10.1103/PhysRevC.93.055207.
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  23. ↑ Horbatsch, Marko; Hessels, Eric A.; Pineda, Antonio (13 March 2017). "इलेक्ट्रॉन-प्रोटॉन प्रकीर्णन और चिरल क्षोभ सिद्धांत से प्रोटॉन त्रिज्या". Physical Review C. 95 (3): 035203. arXiv:1610.09760. Bibcode:2017PhRvC..95c5203H. doi:10.1103/PhysRevC.95.035203. S2CID 119232774.
  24. ↑ 24.0 24.1 {{cite journal |last1=Alarcón |first1=J.M. |last2=Higinbotham |first2=D.W. |last3=Weiss |first3=C. |last4=Ye |first4=Zhihong |date=5 April 2019 |title=फैलाव से बेहतर चिरल प्रभावी क्षेत्र सिद्धांत का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन बिखरने वाले डेटा से प्रोटॉन चार्ज त्रिज्या निष्कर्षण|journal=Physical Review C |volume=99 |issue=4 |page=044303 |doi=10.1103/PhysRevC.99.044303 |doi-access=free |arxiv=1809.06373 |bibcode=2019PhRvC..99d4303A}
  25. ↑ Bezginov, N.; Valdez, T.; Horbatsch, M.; Marsman, A.; Vutha, A. C.; Hessels, E. A. (2019). "परमाणु हाइड्रोजन लैम्ब शिफ्ट और प्रोटॉन चार्ज त्रिज्या का माप". Science. 365 (6457): 1007–1012. Bibcode:2019Sci...365.1007B. doi:10.1126/science.aau7807. ISSN 0036-8075. PMID 31488684. S2CID 201845158.
  26. ↑ Xiong, W.; Gasparian, A.; Gao, H.; Dutta, D.; Khandaker, M.; et al. (2019). "A small proton charge radius from an electron–proton scattering experiment". Nature. 575 (7781): 147–150. Bibcode:2019Natur.575..147X. doi:10.1038/s41586-019-1721-2. ISSN 0028-0836. OSTI 1575200. PMID 31695211. S2CID 207831686.
  27. ↑ Karr, Jean-Philippe; Marchand, Dominique (2019). "प्रोटॉन-त्रिज्या पहेली पर प्रगति". Nature. 575 (7781): 61–62. Bibcode:2019Natur.575...61K. doi:10.1038/d41586-019-03364-z. ISSN 0028-0836. PMID 31695215.
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  29. ↑ "प्रोटॉन शायद वास्तव में लंबे विचार से छोटे होते हैं". Universität Bonn (in English). Retrieved 2022-02-15.
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