Projekti / Programi
Reševanje protonske uganke s precizijsko meritvijo oblikovnih faktorjev protona pri izjemno majhnih prenosih energije in gibalne količine
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.05 |
Naravoslovje |
Fizika |
Fizika srednjih in nizkih energij |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P220 |
Naravoslovno-matematične vede |
Jedrska fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
Nabojni polmer protona, oblikovni faktorji protona, elastično sipanje, MAMI, Teorija kvantne elektrodinamike, temna snov.
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
29534 |
dr. Miha Mihovilovič |
Fizika |
Vodja |
2016 - 2017 |
155 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.664 |
Povzetek
Predlagamo novo precizijsko meritev oblikovnih faktorjev protona pri izjemno majhnih prenosih energije in gibalne količine, ki nam bo ponudila nov vpogled v nepojasnjene razlike med sodobnimi meritvami polmera protona. T.i. protonska uganka je se nerešen problem jedrske fizike, ki je, zaradi potencialnih resnih posledic na naše razumevanje fizikalnega sveta, v zadnjih nekaj letih med fiziki postala ena najbolj burnih in vročih tem.
Nabojni polmer protona smo določili z različnimi eksperimenti sipanja elektronov na vodiku, kot tudi z vrsto atomskih meritev Lambovega premika in z obema pristopoma dobimo skladne vrednosti. Na žalost se te ne ujemajo z novimi, zelo natančnimi meritvami Lambovega premika v mionskem vodiku, kjer namesto elektronov okrog protonov krožijo mioni. Te meritve navajajo povprečni nabojni radij protona, ki se za kar 8-sigma razlikuje od do sedaj sprejete vrednosti. Ta ogromna razlika je zelo razburila fizikalno skupnost, saj je ni mogoče pojasniti v okviru obstoječih teorij, niti je ni mogoče tolmačiti kot eksperimentalno napako. Posledično se je pojavila vrsta potencialnih razlag, ki utegnejo pojasniti opaženo razliko in segajo vse od idej o novih delcih, ki niso del Standardnega Modela, do drznih domnev o nepopolnosti kvantne elektrodinamike, ki velja za najbolj dovršeno fizikalno teorijo. Da bi lahko preverili katerokoli od predlaganih hipotez, potrebujeno nove, natančne meritve in predlagani sipalni ekspriment vsekakor predstavlja potrebno protiutež spektroskopskim meritvam v mionskem vodiku.
V sipalnem eksperimentu polmer protona določimo posredno z meritvijo nabojnega oblikovnega faktorja GEp v procesih elastičnega sipanja elektronov na vodikovih jedrih. Nabojni radij protona ustreza naklonu oblikovnega faktorja GEp pri Q**2=0, kjer je Q**2 kvadrat četverca prenosa gibalne količine. Na žalost meritve pri Q**2 ( 0.004 (GeV/c)**2, ki bi omogočale zanesljivo in natančno določitev polmera protona, še ne obstajajo. Zato ga zaenkrat določimo z ekstrapolacijo obstoječih vrednosti GEp proti Q**2=0, ki je močno odvisna od natančnosti razpoložljivih vrednosti GEp. Da bi zmanjšali negotovosti, nujno potrebujemo nove meritve GEp pri Q**2 ( 0.004 (GeV/c)**2, a smo pri tem omejeni z najmanjšim Q**2, ki ga lahko doseže uporabljeni eksperimentalni sestav.
Da bi se ognili kinematskim omejitvam, bomo v predlaganem eksperimentu izkoristili informacijo, shranjeno v sevalnem repu elastičnega vrha, s katero bomo lahko določili oblikovne faktorje pri zelo majhnih Q**2~0.0001 (GeV/c)**2. Ker k sevalnemu repu prispevajo različni fizikalni procesi, moramo meritve obravnavnavati skupaj z natančno Monte-Carlo simulacijo, da bi dosegli informacijo o GEp. Prva primerjava simulacije s trenutno razpoložljivimi podatki je pokazala, da s to tehniko lahko na območju sevalnega repa, ki sega do 200MeV/c stran od elastičnega vrha, dosežemo ujemanje boljše od 1 %, kar je potrebna natančnost za podroben študij oblikovnih faktorjev pri zelo nizkih Q**2 in motivacija za izvedbo celotnega eksperimenta.
V eksperimentu, ki ga želimo izvesti na pospeševalniku Mainz Microtron, bomo uporabili zvezen žarek elektronov, tanko plastično tarčo in tri visokoločljive spektrometre Kolaboracije A1. Meritve želimo opraviti za 42 različnih kinematskih točk pri treh različnih energijah žarka (195 MeV, 330 MeV in 495 MeV), za kar potrebujemo štiri tedne časa na pospeševalniku. Preostali čas bomo namenili razvoju celostne simulacije, pripravi na eksperiment in analizi izmerjenih podatkov.
Pomen za razvoj znanosti
Prvi cilj projekta je bil preveriti naše razumevanje sevalnih popravkov v procesih elastičnega sipanja elektronov na protonih. Z izvedenimi eksperimenti smo prvikrat nedvoumno pokazali, da znamo z danim teoretičnim opisom sevalne izgube zelo natančno opisati tudi daleč stran od elastičnega vrha. Izsledki naših meritev namreč kažejo, da je ujemanje med podatki in teorijo boljše od 1% tudi na območju 200 MeV stran od elastičnega vrha. Takšno natančno poznavanje sevalnih izgub je ključnega pomena za večino jedrskih eksperimetov z elektroni, ki se zanašajo na preciznost tega opisa. Mednje na primer sodijo meritev virtualnega comptonskega sipanja, ki je posvečena natančni določitvi polarizirnosti protona ter bodoči eksperimenti, namenjeni natančnemu študiju vzbujenih stanj lahkih jeder (He, Li). S slednjimi želimo pridobiti nova znanja o strukturi jeder in njihovi dinamiki. Poglobljen študij Bethe-Heitlerjevih procesov pa je pomemben tudi za eksperimente, ki so predani iskanju črnega fotona, hipotetičnega delca, s katerim opišemo interakcijo med vidno in temno snovjo, saj so v takšnih meritvah Bethe-Heitlerjevi procesi glavni vir ozadja. Glavni prispevek projekta k znanosti pa so nove, natančne meritve oblikovnega faktorja protona pri izredno majhnih prenosih gibalne količine. Projekt ponuja oblikovne faktorje v petindvajset novih kinematskih točkah med Q^2=0.001 GeV^2 in Q^2=0.017 GeV^2. Za skupnost so zanimive predvsem točke na območju Q^2(0.004 GeV^2, kjer meritev do sedaj ni bilo. Te v okviru dosežene natančnosti dovoljujejo bolj natančno določitev normalizacije prilagoditvenih funkcij in skupaj z obstoječimi podatki omogočajo natančnejšo in robustnejšo ekstrakcijo nabojnega polmera protona.
Pomen za razvoj Slovenije
Problem nabojnega polmera protona je eden ključnih odprtih vprašanj današnje atomske in jedrske fizike in pozornost mu posvečajo znanstveniki iz vseh večjih svetovnih raziskovalnih ustanov (npr: MIT, College of William and Mary, NIST, PSI, Argonne National Lab, Thomas Jefferson National Accelerator Facility, TUM Garching). Meritev oblikovnih faktorjev, ki smo jo v okviru tega projekta izvedli slovenski znanstveniki skupaj s nemškimi kolegi iz Mainza, predstavlja prvo jedrsko meritev po opaženju diskrepance v letu 2010 in ponuja nove podatke, ki omogočajo natančnejšo določitev nabojnega polmera protona. To slovenske znanstvenike uvršča v samo središče raziskovalnega zemljevida, kar pride najbolj do izraza skozi številna vabila na mednarodna znanstvena srečanja, na katerih slovenski raziskovalci kakovostno in enakopravno razpravljamo o doseženih rezultatih, napredku v teoretskih izračunih in o možnostih za nove meritve. S tem pred tujimi kolegi promoviramo tako slovensko znanost kot tudi državo. Meritve za projekt smo izvedli na pospeševalniku MAMI Univerze v Mainzu. V projekt so bili poleg raziskovalcev vključeni tudi slovenski dodiplomski in podiplomski študentje, ki so aktivno sodelovali pri vseh korakih eksperimenta (priprava, izvedba in analiza podatkov). Možnost sodelovanja na takšnem poskusu jim je ponudila edinstveno priložnost, da iz prve roke pridobijo znanja o eksperimentalni jedrski fiziki in izkusijo potek dela v pravem fizikalnem eksperimentu. Izobraževanje in motiviranje novih generacij jedrskih znanstvenikov je ključno za uspešen nadaljnji razvoj tega raziskovalnega področja pri nas. Glavni doprinos projekta slovenski družbi pa so zagotovo nove informacije o eni izmed temeljnih lastnostih vodikovega jedra, tj. o njegovem nabojnem polmeru. Proton je osnovni gradnik snovi in podrobno znanje o njegovih lastnostih je pomembno na različnih področjih znanosti in izobraževanja.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
