Wie genau ist bekannt, dass Protonen die gleiche Ladung wie Elektronen haben?

Kürzlich habe ich behauptet, dass Proton und Elektron die gleiche Ladung haben, und dass dies bis jetzt experimentell bestätigt wurde 1 Teil von 10 26 . Dieser Glaube basierte naiv auf der Empfehlung von CODATA aus dem Jahr 2014 für den Wert einer Grundgebühr e [1] :

e = 1.6021766208 ( 98 ) ⋅ 10 − 19   C

wobei Klammern die Standardunsicherheit bedeuten (unter der Annahme einer Normalverteilung, ≈ 0,68 Wahrscheinlichkeit, Deckungsfaktor k = 1 ). Nachdem ich mich weiter mit der Literatur befasst hatte, kam ich zu dem Schluss, dass CODATA die Ladungen von Protonen und Elektronen nicht direkt vergleicht; vielmehr basiert es auf einem indirekten Ansatz. [2]

e = 2 h a μ 0 c

Hier a ist die Feinstrukturkonstante.

Frage: Wie genau wird die Ladungsgleichheit von Proton und Elektron festgestellt? Die ideale Antwort beinhaltet (wenn möglich)

  • experimentelle Werte der Ladung von Elektron und Proton;
  • Ungewissheit, einschließlich Annahmen;
  • Falls zutreffend, wurde die Ladung des Neutrons mit Null angenommen oder geschätzt?
  • Verweis auf Primärliteratur

Piccard und Kessler (1925) bestätigten, dass die Gebühren übereinstimmen 5 Teile ein 10 21 ; Hillas und Cranshaw (1959) stellten fest, dass das erste Paar ungerechtfertigte Annahmen über die Ladung eines Neutrons gemacht hatte. Das letztere Paar zeigte, dass die Ladung eines Protons nicht mehr als beträgt 5 ⋅ 10 − 20 mal anders als ein Elektron. [3] King (1960) erzielte das Ergebnis 2.5 ± 1.5 ⋅ 10 − 20 aus Wasserstoffatomen. [4]

Wurde das verbessert?

[1] Mohr, PJ; Newell, DB; Taylor, BN 'CODATA-Empfohlene Werte der fundamentalen physikalischen Konstanten: 2014'. Reviews of Modern Physics , 2016 , 88 (3). DOI: 10.1103/RevModPhys.88.035009 , frei verfügbar auf arXiv hier , auch archivierter Link .

[2] Mohr, PJ; Taylor, BN; Newell, DB 'CODATA-Empfohlene Werte der fundamentalen physikalischen Konstanten: 2006'. Rev. Mod. Phys. , 2008 , 80(2), 633–730. DOI: 10.1103/RevModPhys.80.633. DOI: 10.1103//RevModPhys.80.633 , frei verfügbar auf arXiv hier , auch archivierter Link .

[3] M. Hillas, A.; E. Cranshaw, TA „Vergleich der Ladungen von Elektron, Proton und Neutron“. Natur , 1959 , 184, 892–893. DOI: 10.1038/184892a0 .

[4] King, JG „Suche nach einer kleinen Ladung, die von Molekülen getragen wird“. Phys. Rev. Lett. , 1960 , 5 (12), 562–565. DOI: 10.1103/PhysRevLett.5.562 .

Das Messen einer Ladung subatomarer Teilchen bedeutet, ein klassisches Konzept auf die Quantenwelt anzuwenden. In der Quantenmechanik ist Ladung eine Quantenzahl, kein beliebiger Wert wie Masse. Was ist das Ziel dieser Forschung? Die Quantenmechanik in einem Teil falsch zu beweisen 10 26 ? Wirklich?
@safesphere Der Grund ist eigentlich eher bodenständig. Ich habe dies ursprünglich in dieser Antwort behauptet und versuche derzeit, einen Faktencheck durchzuführen. Ich freue mich über Ihr Feedback. Ist die Frage nach einer experimentellen Obergrenze für die Elektron-Proton-Ladungsasymmetrie ungültig?
Nichts ist ungültig, aber unter den Forschungsprojekten, die um die Finanzierung durch den Steuerzahler konkurrieren, scheint dieses eine eher niedrige Priorität zu haben, mit einer geringen Wahrscheinlichkeit, einen zukünftigen wirtschaftlichen Wert zu liefern. Nur meine bescheidene Meinung.
@safesphere Damit bist du komplett im Wald. Die Messung, ob der Unterschied im Ladungswert einer Teilchenklasse und der Werthilfe einer anderen Klasse zugeordnet ist, ist in der Quantenmechanik perfekt definiert. Sie scheinen anzunehmen, dass es nur eine Quantisierungsskala für die Ladung gibt (was wahr sein kann oder nicht), aber das verursacht keine Probleme beim Vergleich der Werte, die sich aus der Ladungsmessung ergeben.
@dmckee Ja, in der Quote eines Teils 10 26 , ich würde darauf wetten, dass es nur eine "Quantisierungsskala zum Aufladen" gibt :)
@safesphere Das würde ich auch, weil diese Messung durchgeführt wurde. Mit anderen Worten, dies ist nicht nur eine gültige Frage, sondern eine nützliche Frage.
Siehe Marinelli und Morpugo, PLB 137 (1984) 439, die eine Grenze von etwa 10^-21 angibt. Es gibt separate Messungen der Neutralität des Neutrons, beschrieben in arxiv.org/pdf/hep-ph/9209259.pdf

Antworten (1)

Seit ich gestern die Frage gestellt habe, wurde ich entweder auf drei weitere aktuelle Artikel aufmerksam oder fand sie.

1. Marinelli, M.; Morpurgo, G. 'Suche nach fraktional geladenen Teilchen in Materie mit der Magnetschwebetechnik'. Physics Reports , 1982 , 85 (4), 161–258. DOI: 10.1016/0370-1573(82)90053-9 .

Da dies ziemlich lang ist, hatte ich Probleme, einen konkreten Wert zu finden, aber es führte mich zu Referenz 2. In Referenz 2 wird das Ergebnis von Marinelli-Morpungo als zitiert

q p + q e e = ( 0,8 ± 0,8 ) ⋅ 10 − 21 .

Vielen Dank, Ben Crowell , dass Sie mich in Ihrem Kommentar auf diese Studie hingewiesen haben .

2. Unnikrishnan, CS; Gillies, GT „Die elektrische Neutralität von Atomen und Massenmaterie“. Metrologia , 2004 , 41(5), S125. DOI: 10.1088/0026-1394/41/5/S03 .

Dieses Paar ergibt eine große Tabelle, die die Ergebnisse der Proton-Elektron-Ladungsasymmetrie zusammenfasst.

Tabelle eins aus dem zitierten Bild, Zusammenfassung der Ergebnisse

Die Grenze bleibt bei 10 − 21 e wie vorher. Sie schlagen jedoch ein neues Experiment vor, das die Grenze erweitern könnte 10 − 26 in der Zukunft.

Wir haben überlegt, eine Torsionswaage für eine empfindliche Suche nach Bruchladungen und freien Quarks zu verwenden. Die Möglichkeit ist experimentell attraktiv, da eine sorgfältig konstruierte Torsionswaage eine Ladungsempfindlichkeit von etwa erreichen kann 10 − 2 e in einem mäßigen elektrischen Feld. Ein solches Experiment ist geeignet, die hypothetische Ladungsasymmetrie zwischen dem Elektron und dem Proton mit sehr hoher Empfindlichkeit zu untersuchen. [---]

Somit wird das Experiment in der Lage sein, eine Ladungsasymmetrie von zu untersuchen 10 − 24 e . Sobald dies festgestellt ist, kann das Masseelement durch ein schwereres mit stärkeren Drähten oder Kugeln in der Größenordnung von jeweils geändert werden 1   g , mit einer Gesamtmasse von ca 100   g . Dann ist die Gesamtzahl der Atome etwa 10 24 mit 3 ⋅ 10 25 Elektron-Proton-Paare. Mit fraktionaler Ladungsempfindlichkeit kann ein Torsionswaagenexperiment eine beeindruckende Ladungsasymmetrieempfindlichkeit erreichen 10 − 26 e .

3. Bressi, G.; Carugno, G.; Della Valle, F.; Galeazzi, G.; Ruoso, G.; Sartori, G. „Prüfung der Neutralität der Materie durch akustische Mittel in einem sphärischen Resonator“. Phys. Rev. A , 2011 , 83 (5), 052101. DOI: 10.1103/PhysRevA.83.052101 .

Kritisiert wird das Ergebnis von Dylla und King (1973): Bressi et al. behaupten, das Ergebnis des ehemaligen Paares ist eigentlich nicht besser als 10 − 19 e . Das eigene Ergebnis von Bressi et al . ist (unter der Annahme der Ladungserhaltung in β − -Verfall)

q p + q e e = ( − 0,1 ± 1.1 ) ⋅ 10 − 21 .

Dies ist auch ihre Grenze für die maximale Ladung des Neutrons.

Vorbehalt: Diese Antwort wurde auf der Grundlage eines kurzen Durchsuchens geschrieben, nicht einer gründlichen Analyse. Ich bin davon ausgegangen, dass alle Unsicherheiten wie im OP als Standardunsicherheiten angegeben sind. Fühlen Sie sich frei, Unstimmigkeiten zu bearbeiten oder darauf hinzuweisen. Wenn Sie neue Artikel hinzufügen oder wenn Ihre Bearbeitung von Bedeutung ist, können Sie dies auch in ein Community-Wiki umwandeln.
Vorgeschlagenes Experiment mit Potenzial zu erreichen 10 − 28 e Präzision: Arvanitaki, Asimina, et al. " Wie man Atom- und Neutronenneutralität mit Atominterferometrie testet ." Physical Review Letters 100.12 (2008): 120407. arXiv:0711.4636
Wie genau ist bekannt, dass Protonen die gleiche Ladung wie Elektronen haben?
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