Maso elektrona izmerili najnatančneje doslej

Nemškim raziskovalcem je uspelo izmeriti maso elektronika približno 13-krat natančneje, kot je bila poznana doslej. Masa elektrona je namreč ena izmed vhodnih količin v standardnem modelu in je iz njega ne moremo izračunati. Zato je zelo natančno poznavanje te količine nujno potrebno za preverjanje napovedi standardnega modela in njegovo uporabo. Masa elektrona je tudi sestavni del številnih drugih pomembnih konstant, denimo Rydbergove konstante ali konstante fine strukture.

Vse od Thomsonovega odkritja elektrona leta 1897 - tedaj ga še ni imenoval s tem imenom - so znanstveniki poizkušali karseda natančno izmeriti maso elektrona. V zadnjem času smo najnatančnejše meritve dobili iz Penningove pasti. Ta uporablja homogeno magnetno polje, da nabite delce drži v radialni smeri, in nehomogeno kvadrupolno električno polje, da nabite delce drži vzdolž osi. Na ta način je mogoče hraniti nabite delce, ne da bi ti prišli v kontakt z okoliško snovjo, kar je na primer uporabno za skladiščenje antiprotonov. Nabiti delci se v Penningovi pasti zaradi prisotnih električnih in magnetnih polj gibljejo po zaprti zanki z značilno frekvenco, ki je odvisna od razmerja med maso in nabojem delca (m/z) in jakostjo magnetnega polja, zato je to odličen način za natančno merjenje mase delcev. Maso elektronov so določili tako, da so izmerili frekvenco elektrona v primerjavi s frekvenco delca z znano maso (gostote magnetnega polja seveda ni mogoče poznati dovolj natančno), najraje ogljikovim ionom ali protonom.

Od leta 2010 tako poznamo maso elektrona z relativno natančnostjo 0,4 bilijoninke (ppb). Sedaj so to negotovost znižali za faktor 13 in ugotovili, da je masa elektrona 0,000548579909067 atomske enote. Spomnimo, da je atomska enota masa ene dvanajstine ogljika-12. Tudi za to meritev so uporabili Penningovo past, le da niso merili le elektrona, temveč skupek elektrona in ogljikovega jedra (dejansko je šlo za ion C⁵⁺). Ta ion je spet osciliral po Penningovi pasti, ekipa pa je vanj pošiljala mikrovalove, ki so povzročili obrat spina elektrona. Iz meritev obeh frekvence gibanja iona in frekvence mikrovalov so z natančnostjo 0,03 ppb izračunali maso elektrona, o čemer poročajo v tej številki revije Nature.