प्रोटॉन त्रिज्या पहेली

प्रोटॉन त्रिज्या पहेली भौतिकी में प्रोटॉन के आकार से संबंधित अनसुलझी समस्याओं की एक अनुत्तरित सूची है। Presentation slides (19 March 2017). ऐतिहासिक रूप से प्रोटॉन प्रोटॉन # चार्ज त्रिज्या को दो स्वतंत्र तरीकों से मापा गया था, जो लगभग 0.877 फेम्टोमीटर (1 fm = 10) के मान में परिवर्तित हो गया था। -15 मी). 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 रिपोर्ट किए गए नए प्रायोगिक परिणाम छोटे माप से सहमत हैं, जैसा कि 2022 में प्रकाशित पुराने डेटा 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।

समस्या
2010 से पहले, प्रोटॉन आवेश त्रिज्या को दो विधियों में से एक का उपयोग करके मापा जाता था: एक स्पेक्ट्रोस्कोपी पर निर्भर, और एक परमाणु बिखरने पर निर्भर।

स्पेक्ट्रोस्कोपी विधि
स्पेक्ट्रोस्कोपी विधि नाभिक की परिक्रमा करने वाले इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तरों का उपयोग करती है। ऊर्जा स्तरों के सटीक मान नाभिक में आवेश के वितरण के प्रति संवेदनशील होते हैं। हाइड्रोजन के लिए, जिसके नाभिक में केवल एक प्रोटॉन होता है, यह अप्रत्यक्ष रूप से प्रोटॉन चार्ज त्रिज्या को मापता 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 का एक प्रोटॉन त्रिज्या पैदा करती है $0.877 fm$, लगभग 1% सापेक्ष अनिश्चितता के साथ।

परमाणु प्रकीर्णन
परमाणु विधि रदरफोर्ड के प्रकीर्णन के समान है | रदरफोर्ड के प्रकीर्णन प्रयोगों ने नाभिक के अस्तित्व को स्थापित किया। इलेक्ट्रॉनों जैसे छोटे कणों को एक प्रोटॉन पर छोड़ा जा सकता है, और इलेक्ट्रॉनों के बिखराव को मापने के द्वारा प्रोटॉन के आकार का अनुमान लगाया जा सकता है। स्पेक्ट्रोस्कोपी पद्धति के अनुरूप, यह लगभग एक प्रोटॉन त्रिज्या पैदा करता है $0.878 fm$.

2010 प्रयोग
2010 में, पोहल एट अल। सामान्य हाइड्रोजन के विपरीत म्यूओनिक हाइड्रोजन पर निर्भर एक प्रयोग के परिणाम प्रकाशित किए। संकल्पनात्मक रूप से, यह स्पेक्ट्रोस्कोपी विधि के समान है। हालांकि, एक 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 के रूप में दर्ज किया गया था $0.842 fm$, 5 मानक विचलन (5σ) पिछले मापों से छोटा है। नया मापा गया दायरा पिछले मापों से 4% छोटा है, जो 1% के भीतर सटीक माना जाता था। (नए माप की अनिश्चितता की सीमा केवल 0.1% है, विसंगति के लिए एक नगण्य योगदान देता है।) 2010 के बाद से, पिछले तरीकों के साथ इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करने वाले अतिरिक्त मापों ने अनुमानित त्रिज्या को थोड़ा कम कर दिया है $0.875 fm$, लेकिन अनिश्चितता को और भी कम करके म्यूओनिक हाइड्रोजन प्रयोग के साथ असहमति 7σ से अधिक हो गई है।

पोहल एट अल द्वारा एक अनुवर्ती प्रयोग। अगस्त 2016 में म्यूओनिक ड्यूटेरियम बनाने के लिए एक ड्यूटेरियम परमाणु का इस्तेमाल किया और ड्यूटेरॉन त्रिज्या को मापा। इस प्रयोग ने मापों को 2.7 गुना अधिक सटीक होने की अनुमति दी, लेकिन अपेक्षित मान से कम 7.5 मानक विचलन की विसंगति भी पाई। 2017 में मैक्स-प्लैंक-इंस्टीट्यूट ऑफ क्वांटम ऑप्टिक्स के एक 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, Rydberg 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। 2019 में, एक अन्य प्रयोग ने एक विधि का उपयोग करके प्रोटॉन आकार के माप की सूचना दी, जो कि Rydberg स्थिरांक से स्वतंत्र था- इसका परिणाम, 0.833 फेम्टोमीटर, 2010 के छोटे मूल्य के साथ एक बार फिर सहमत हुआ।

प्रस्तावित संकल्प
विसंगति अनसुलझी बनी हुई है और अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र है। पुराने डेटा की वैधता पर संदेह करने का अभी तक कोई निर्णायक कारण नहीं है। अन्य समूहों के लिए विसंगति को पुन: उत्पन्न करने के लिए तत्काल चिंता है।

प्रायोगिक साक्ष्य की अनिश्चित प्रकृति ने सिद्धांतकारों को परस्पर विरोधी परिणामों की व्याख्या करने का प्रयास करने से नहीं रोका। पोस्ट किए गए स्पष्टीकरणों में तीन-शरीर बल हैं, गुरुत्वाकर्षण और कमजोर बल के बीच बातचीत, या एक स्वाद (कण भौतिकी)-निर्भर बातचीत, आयाम (भौतिकी) गुरुत्वाकर्षण, एक नया बोसॉन, और अर्ध-मुक्त $$ परिकल्पना।

माप कलाकृति
पहेली के मूल अन्वेषक, रैंडोल्फ पोहल ने कहा कि यदि यह पहेली एक खोज की ओर ले जाती है तो यह शानदार होगा, सबसे अधिक संभावना स्पष्टीकरण नई भौतिकी नहीं है, लेकिन कुछ माप कला 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।

क्वांटम क्रोमोडायनामिक गणना
बेलुश्किन एट अल द्वारा एक पेपर में। (2007), विभिन्न बाधाओं और पर्टर्बेशन सिद्धांत (क्वांटम यांत्रिकी) क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स सहित, तत्कालीन स्वीकृत 0.877 फेमटोमेट्रेस की तुलना में एक छोटे प्रोटॉन त्रिज्या की भविष्यवाणी की गई थी।

प्रोटॉन त्रिज्या एक्सट्रपलेशन
2016 के कागजात ने सुझाव दिया कि समस्या एक्सट्रपलेशन के साथ थी जो आमतौर पर इलेक्ट्रॉन बिखरने वाले डेटा से प्रोटॉन त्रिज्या निकालने के लिए उपयोग की जाती थी।  हालांकि इन स्पष्टीकरणों की आवश्यकता होगी कि परमाणु मेम्ने शिफ्ट मापन के साथ भी कोई समस्या थी।

डेटा विश्लेषण विधि
नई भौतिकी के बिना पहेली को हल करने के प्रयासों में से एक, अलारकोन एट अल। (2018) जेफरसन लैब ने प्रस्तावित किया है कि प्रायोगिक बिखरने वाले डेटा को सैद्धांतिक रूप से और साथ ही विश्लेषणात्मक रूप से उचित तरीके से फिट करने के लिए एक अलग तकनीक, मौजूदा इलेक्ट्रॉन बिखरने वाले डेटा से एक प्रोटॉन चार्ज त्रिज्या का उत्पादन करती है जो म्यूओनिक हाइड्रोजन माप के अनुरूप है। प्रभावी रूप से, यह दृष्टिकोण प्रायोगिक डेटा से प्रोटॉन चार्ज त्रिज्या के निष्कर्षण के लिए सैद्धांतिक रूप से प्रेरित फ़ंक्शन का उपयोग करने में विफलता के लिए प्रोटॉन त्रिज्या पहेली का कारण बनता है। एक अन्य हालिया पेपर ने बताया है कि कैसे एक सरल, फिर भी सिद्धांत से प्रेरित पिछले फिट में परिवर्तन भी छोटे त्रिज्या देगा। रेफरी>

2019 माप
सितंबर 2019 में, बेजगिनोव एट अल। इलेक्ट्रॉनिक हाइड्रोजन के लिए प्रोटॉन के चार्ज त्रिज्या के पुनर्माप की सूचना दी और मुओनिक हाइड्रोजन के लिए पोहल के मान के अनुरूप परिणाम पाया। नवंबर में डब्ल्यू जिओंग एट अल। बेहद कम गति हस्तांतरण इलेक्ट्रॉन बिखरने का उपयोग करके एक समान परिणाम की सूचना दी। 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 पहेली को समझाने और व्यवस्थित करने में सक्षम होंगे।

2022 का विश्लेषण
फरवरी 2022 में प्रकाशित प्रायोगिक डेटा के पुन: विश्लेषण से लगभग 0.84 fm के छोटे मान के अनुरूप परिणाम मिला।