Proton Bildiğimizden Hafifmiş

Proton maddenin temel yapı taşlarından biri. Ancak kütlesini ölçmek tahmin edildiği kadar kolay değil. Almanya’daki Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü’nden ve Japonya’daki RIKEN araştırma merkezinden fizikçiler, geliştirdikleri yeni yöntem sayesinde protonun kütlesini yüksek hassasiyetle yani daha kesin bir şekilde ölçmeyi başardı. Sonuçlar protonun kütlesinin bugün kabul edilen standart değerden daha düşük olduğunu gösteriyor.

Atom çekirdeklerinin temel yapı taşlarından biri olan protonun kütlesi atom fiziği açısından hayli önemli. Çünkü birçok fiziksel sabit protonun kütlesiyle ilişkili.

Protonun kütlesi Penning tuzağı olarak isimlendirilen cihaz kullanılarak ölçülüyor. Bu sistemde elektrik ve manyetik alanın içene hapsedilen proton hem dairesel hem de doğrusal olarak hareket eder. Protonun bu hareketi sırasındaki salınım frekansı (yani birim zamandaki salınım sayısı) kütlesiyle ilişkilidir. Penning tuzağında hapsolan protonun frekansı ölçülerek kütlesi hesaplanabilir ve bu değer bir karbon-12 atomunun (çekirdeğinde 6 proton ve 6 nötron bulunan karbon izotopu) kütlesi (12 atomik kütle birimi) ile karşılaştırılır. Bilim ve Teknoloji Verileri Komitesi (CODATA) tarafından belirlenen protonun kütle değeri 1,007276466879 akb yani 1,672621898 x 10^-27 kg’dır.

Penning tuzağında protonun hareketi

Penning tuzağında manyetik alanda ortaya çıkan dalgalanmalar sonuçlarda küçük hatalara neden olabilir. Sonuçları Physical Review Letters dergisinde yayımlanan araştırmada fizikçiler protonun ve karbon-12 atomunun kütlesini doğrudan karşılaştırabilecekleri bir yöntem kullandı. Bu amaçla bir proton ve bir ¹²C⁶⁺ atomu (iyon yükü +6 olan yani 6 elektron vermiş karbon-12 atomu) Penning tuzağının iki ayrı bölümüne yerleştirildi. Daha sonra iyonlar sırasıyla cihazın merkezindeki ölçüm bölümüne taşındı ve hareketleri ölçüldü. Protona ve karbon-12 iyonuna ait elde edilen değerler oranlanarak protonun kütlesi doğrudan atomik kütle birimi cinsinden belirlendi. Böylece protonun ve karbon-12 iyonunun kütleleri aynı koşullarda ölçülmüş oldu.

Bu verilerden protonun kütlesi, şu an kabul edilen değerden üç kat yüksek kesinlikle, 1,007276466583 akb olarak belirlendi. Yani protonun kütlesi daha önce ölçülenden yaklaşık %0,00000003 daha azmış. Bilim insanları geliştirdikleri yöntemle böylesi küçük bir farkı yüksek hassasiyetle ölçmeyi başardı.