نسبة كتلة البروتون إلى كتلة الإلكترون

في الفيزياء ، نسبة كتلة البروتون إلى كتلة الإلكترون (رمزها μ أو β ) هي كتلة سكون البروتون (وهو باريون موجود في الذرات ) مقسومة على كتلة سكون الإلكترون (وهو ليبتون موجود في الذرات)، وهي كمية لا بعدية ، أي:

μ = m _p / ⁠ me =_​  1 836 .152 673 426 (32) . ^{[ 1 ]}

الرقم الموجود بين قوسين هو عدم اليقين في القياس على آخر رقمين، وهو ما يتوافق مع عدم يقين معياري نسبي قدره1.7 × 10 ⁻¹¹ . ^{[ 1 ]}

μ ثابت فيزيائي أساسي مهم للأسباب التالية:

• تتكون المادة الباريونية من الكواركات والجسيمات المصنوعة من الكواركات، مثل البروتونات والنيوترونات . يبلغ عمر النصف للنيوترونات الحرة 613.9 ثانية. ويبدو أن الإلكترونات والبروتونات مستقرة، وفقًا لأفضل المعارف الحالية. (تتوقع نظريات اضمحلال البروتون أن عمر النصف للبروتون يبلغ حوالي 10^32 سنة على الأقل . ^وحتى الآن، لا يوجد دليل تجريبي على اضمحلال البروتون).
• ولأنها مستقرة، ومكونات لجميع الذرات العادية، وتحدد خصائصها الكيميائية، فإن البروتون هو الباريون الأكثر انتشارًا ، بينما الإلكترون هو الليبتون الأكثر انتشارًا ؛
• تتكون كتلة البروتون ( m_{_p) بشكل أساسي من} الغلوونات ، ومن الكواركات ( الكوارك العلوي والكوارك السفلي ) التي تُشكل البروتون. لذا، فإن m _{_p} ، وبالتالي النسبة μ ، هما نتيجتان سهلتان للقوة النووية القوية . في الواقع، في الحد الكيرالي ، تتناسب m_{_p} طرديًا مع مقياس طاقة الكروموديناميكا الكمية (Λ_{_QCD} ). عند مقياس طاقة مُحدد، يرتبط ثابت الاقتران القوي α _{_s بمقياس الكروموديناميكا الكمية (وبالتالي} μ ) كما يلي:

${\displaystyle \alpha _{s}=-{\frac {2\pi }{\beta _{0}\ln(E/\Lambda _{\rm {QCD}})}}}$

حيث β ₀ = −11 + 2 n /3، حيث n هو عدد نكهات الكواركات .

حاول علماء الفيزياء الفلكية إيجاد دليل على تغير ثابت μ عبر تاريخ الكون. (وقد طُرح السؤال نفسه أيضاً بشأن ثابت البنية الدقيقة ). ومن الأسباب المثيرة للاهتمام لهذا التغير، تغير قوة القوة النووية القوية بمرور الوقت .

لقد فحصت عمليات البحث الفلكية عن μ المتغيرة مع الزمن عادةً سلسلة ليمان وانتقالات فيرنر للهيدروجين الجزيئي والتي، بالنظر إلى الانزياح الأحمر الكبير بما فيه الكفاية ، تحدث في المنطقة البصرية وبالتالي يمكن ملاحظتها باستخدام أجهزة قياس الطيف الأرضية .

إذا تغيرت قيمة μ ، فإن التغير في الطول الموجي λ _i لكل طول موجي في إطار الراحة يمكن تحديده على النحو التالي:

${\displaystyle \ \lambda _{i}=\lambda _{0}\left[1+K_{i}{\frac {\Delta \mu }{\mu }}\right],}$

حيث Δ μ / μ هو التغير النسبي في μ و Ki _هو ثابت يجب حسابه ضمن إطار نظري (أو شبه تجريبي).

أفاد راينهولد وآخرون (2006) بوجود تباين محتمل قدره 4 انحرافات معيارية في قيمة μ من خلال تحليل أطياف امتصاص الهيدروجين الجزيئي للكوازارين Q0405-443 وQ0347-373. ووجدوا أن Δμ / μ = (2.4 ± 0.6) × 10^-5 . أعاد كينغ وآخرون (2008) تحليل البيانات الطيفية لراينهولد وآخرون، وجمعوا بيانات جديدة عن كوازار آخر، Q0528-250. وقدّروا أنΔμ/ μ = (2.6 ± 3.0) × 10^-6 ، وهو يختلف عن تقديرات رينهولد وآخرون (2006).

مورفي وآخرون. (2008) استخدم انتقال انعكاس الأمونيا لاستنتاج أن | Δ μ / μ | <1.8 × 10⁻⁶ عند الانزياح الأحمر z = 0.68 . استخدم كانيكار (2011) رصدًا أعمق لانتقالات الانقلاب للأمونيا في النظام نفسه عند z = 0.68 باتجاه 0218+357 للحصول على | Δμ / ^μ | <3 × 10 ⁻⁷ .

استخدم باجدونايت وآخرون (2013) انتقالات الميثانول في مجرة ​​العدسة الحلزونية PKS 1830-211 لإيجاد ∆μ / μ = (0.0 ± 1.0) × 10⁻⁷ ^عند z = 0.89 . ^{[ 2 ] [ 3 ]} واستخدم كانيكار وآخرون (2015) رصدًا شبه متزامن لانتقالات ميثانول متعددة في العدسة نفسها، لإيجاد ∆μ / μ < 1.1 × ^10⁻⁷ عند z = 0.89 . وباستخدام ثلاثة خطوط ميثانول ذات ترددات متقاربة لتقليل التأثيرات المنهجية ، حصل كانيكار وآخرون (2015) على ∆μ / μ < 4 × ^10⁻⁷ .

تجدر الإشارة إلى أن أي مقارنة بين قيم Δμ / μ عند انزياحات حمراء مختلفة بشكل كبير تتطلب نموذجًا محددًا لتفسير تطور Δμ / μ . أي أن النتائج التي تتوافق مع عدم وجود تغيير عند الانزياحات الحمراء المنخفضة لا تستبعد حدوث تغيير كبير عند الانزياحات الحمراء الأعلى.

في ورقة بحثية موجزة شهيرة مؤلفة من جملتين نُشرت في مجلة Physical Review عام 1951، لاحظ فريدريش لينز أن أفضل قيمة تجريبية لنسبة الكتلة في ذلك الوقت (1836.12 ± 0.05) تتطابق تمامًا تقريبًا مع التعبير الرياضي 6${\displaystyle \pi ^{5}}$يُعتقد الآن أن هذا مجرد مصادفة رياضية، حيث تُظهر القياسات الحديثة ذات الدقة العالية أن القيم متقاربة بشكل ملحوظ ولكنها ليست متطابقة:${\displaystyle \mu ={m_{p}}/{m_{e}}=1836.152673426(32)}$بينما${\displaystyle 6\pi ^{5}\approx 1836.118109}$.

• صيغة كويدي

• بارو، جون د. (2003). ثوابت الطبيعة: من ألفا إلى أوميغا - الأرقام التي تشفر أعمق أسرار الكون . لندن: دار فينتج للنشر. ISBN 0-09-928647-5.
• رينهولد، إي.؛ بونينغ، ر.؛ هولنشتاين، يو.؛ إيفانشيك، أ.؛ بيتيجان، ب.؛ أوباخس، و. (2006). "مؤشر على تغير كوني في نسبة كتلة البروتون إلى الإلكترون بناءً على القياسات المختبرية وإعادة تحليل أطياف H2" (ملف PDF) . مجلة Physical Review Letters . 96 (15) 151101. Bibcode : 2006PhRvL..96o1101R . doi : 10.1103/physrevlett.96.151101 . PMID 16712142 . 
• كينغ، ج.؛ ويب، ج.؛ مورفي، م.؛ كارزويل، ر. (2008). "قيد صفري صارم على التطور الكوني لنسبة كتلة البروتون إلى الإلكترون". رسائل المراجعة الفيزيائية . 101 (25) 251304. arXiv : 0807.4366 . Bibcode : 2008PhRvL.101y1304K . doi : 10.1103/physrevlett.101.251304 . PMID 19113692. S2CID 40976988 .  
• مورفي، م.؛ فلامباوم، ف.؛ مولر، س.؛ هينكل، س. (2008). "حد قوي على نسبة كتلة البروتون إلى الإلكترون المتغيرة من الجزيئات في الكون البعيد". مجلة ساينس . 320 (5883): 1611-1613 . arXiv : 0806.3081 . Bibcode : 2008Sci...320.1611M . doi : 10.1126/science.1156352 . PMID: 18566280. S2CID : 2384708 .  
• كانيكار، ن. (2011). "تقييد التغيرات في نسبة كتلة البروتون إلى الإلكترون باستخدام خطوط الانعكاس والدوران". رسائل المجلة الفيزيائية الفلكية . 728 (1): L12. arXiv : 1101.4029 . Bibcode : 2011ApJ...728L..12K . doi : 10.1088/2041-8205/728/1/L12 . S2CID 119230502 . 
• كانيكار، ن.؛ أوباخس، و.؛ مينتين، ك. ل.؛ باغدونايت، ج.؛ برونثالر، أ.؛ هينكل، س.؛ مولر، س.؛ بيثليم، هـ. ل.؛ دابرا، م. (2015). "قيود على التغيرات في نسبة كتلة البروتون إلى الإلكترون باستخدام خطوط الميثانول" . رسائل الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية . 448 (1): L104. arXiv : 1412.7757 . Bibcode : 2015MNRAS.448L.104K . doi : 10.1093/mnrasl/slu206 .