¿Con qué precisión se sabe que los protones tienen la misma carga que los electrones?

Recientemente, afirmé que el protón y el electrón tienen la misma carga, y que esto ha sido verificado experimentalmente hasta 1 parte en 10 26 . Esta creencia se basó ingenuamente en la recomendación de CODATA de 2014 sobre el valor de una carga elemental mi [1] :

mi = 1.6021766208 ( 98 ) ⋅ 10 − 19   C

donde los corchetes significan incertidumbre estándar (suponiendo una distribución normal, ≈ 0,68 probabilidad, factor de cobertura k = 1 ). Después de profundizar más en la literatura, llegué a la conclusión de que CODATA en realidad no compara en un sentido directo las cargas de protones y electrones; más bien se basa en un enfoque indirecto. [2]

mi = 2 h α m 0 C

Aquí α es la constante de estructura fina.

Pregunta: ¿Con qué precisión se establece la igualdad de carga protón-electrón? La respuesta ideal incluye (si es posible)

  • valores experimentales de la carga del electrón y del protón;
  • incertidumbre, incluidas las suposiciones;
  • en su caso, ¿se supuso que la carga del neutrón era cero o se estimó?
  • referencia a la literatura primaria

Piccard y Kessler (1925) verificaron que las cargas coinciden con 5 partes en 10 21 ; Hillas y Cranshaw (1959) notaron que el primer par había hecho suposiciones injustificadas para la carga de un neutrón. El último par mostró que la carga de un protón no es más que 5 ⋅ 10 − 20 veces diferente a la de un electrón. [3] King (1960) logró el resultado 2.5 ± 1.5 ⋅ 10 − 20 de átomos de hidrógeno. [4]

¿Se ha mejorado esto?

[1] Mohr, PJ; Newell, DB; Taylor, BN 'Valores recomendados por CODATA de las constantes físicas fundamentales: 2014'. Revisiones de Física Moderna , 2016 , 88 (3). DOI: 10.1103/RevModPhys.88.035009 , disponible gratuitamente en arXiv aquí , también enlace archivado .

[2] Mohr, PJ; Taylor, BN; Newell, DB 'Valores recomendados por CODATA de las constantes físicas fundamentales: 2006'. Rev.Mod. física , 2008 , 80 (2), 633–730. DOI: 10.1103/RevModPhys.80.633. DOI: 10.1103//RevModPhys.80.633 , disponible gratuitamente en arXiv aquí , también enlace archivado .

[3] M.Hillas, A.; E. Cranshaw, TA 'Comparación de las cargas del electrón, protón y neutrón'. Naturaleza , 1959 , 184, 892–893. DOI: 10.1038/184892a0 .

[4] King, JG 'Búsqueda de una pequeña carga transportada por moléculas'. física Rev. Lett. , 1960 , 5 (12), 562–565. DOI: 10.1103/PhysRevLett.5.562 .

Medir una carga de partículas subatómicas significa aplicar un concepto clásico al mundo cuántico. En la mecánica cuántica, la carga es un número cuántico, no un valor arbitrario como la masa. ¿Cuál es el objetivo de esta investigación? Para demostrar que la mecánica cuántica está equivocada en una parte en 10 26 ? ¿En serio?
@safesphere La razón es bastante realista. Inicialmente hice el reclamo en esta respuesta y actualmente estoy intentando realizar una verificación de hechos. Agradezco sus comentarios. ¿Es inválida la cuestión de un límite superior experimental para la asimetría de carga electrón-protón?
Nada es inválido, pero entre los proyectos de investigación que compiten por la financiación de los contribuyentes, éste parece tener una prioridad más bien baja con una baja probabilidad de proporcionar un valor económico futuro. Solo mi humilde opinión.
@safesphere Estás completamente en el bosque con eso. Medir si la diferencia en el valor de la carga asociada con una clase de partícula y el valor ayudado por otra clase está perfectamente definido dentro de la mecánica cuántica. Parece estar asumiendo que solo hay una escala de cuantización para la carga (lo que puede ser cierto o no), pero eso no causa problemas al comparar los valores que resultan de la medición de la carga.
@dmckee Sí, en las probabilidades de una parte en 10 26 , me arriesgaría apostando a que solo hay una "escala de cuantización para la carga" :)
@safesphere Yo también, porque se ha realizado esta medición. En otras palabras, esta no es simplemente una pregunta válida, sino una pregunta útil .
Véase Marinelli y Morpugo, PLB 137 (1984) 439, que da un límite de alrededor de 10^-21. Hay medidas separadas de neutralidad del neutrón, descritas en arxiv.org/pdf/hep-ph/9209259.pdf

Respuestas (1)

Desde que hice la pregunta ayer, me enteré o encontré tres documentos temáticos más.

1. Marinelli, M.; Morpurgo, G. 'Búsquedas de Partículas Fraccionadamente Cargadas en la Materia con la Técnica de Levitación Magnética'. Informes de física , 1982 , 85 (4), 161–258. DOI: 10.1016/0370-1573(82)90053-9 .

Dado que esto es bastante largo, tuve problemas para encontrar un valor concreto, pero me llevó a la referencia 2. En la referencia 2, el resultado de Marinelli-Morpungo se cita como

q pags + q mi mi = ( 0.8 ± 0.8 ) ⋅ 10 − 21 .

Gracias, Ben Crowell , por señalarme este estudio en su comentario .

2. Unnikrishnan, CS; Gillies, GT 'La neutralidad eléctrica de los átomos y de la materia a granel'. Metrología , 2004 , 41 (5), S125. DOI: 10.1088/0026-1394/41/5/S03 .

Este par proporciona una tabla grande que resume los resultados de la asimetría de carga protón-electrón.

Tabla uno de la imagen citada, resumen de resultados

El límite se mantiene en 10 − 21 mi como antes. Sin embargo, proponen un nuevo experimento que podría empujar el límite a 10 − 26 en el futuro.

Hemos estado considerando usar una balanza de torsión para una búsqueda sensible de cargas fraccionarias y quarks libres. La posibilidad es experimentalmente atractiva ya que una balanza de torsión cuidadosamente construida puede lograr una sensibilidad de carga de aproximadamente 10 − 2 mi en un campo eléctrico moderado. Tal experimento es adecuado para probar la asimetría de carga hipotética entre el electrón y el protón con una sensibilidad muy alta. [---]

Por lo tanto, el experimento podrá probar una asimetría de carga de 10 − 24 mi . Una vez establecido esto, el elemento de masa se puede cambiar a uno más pesado con alambres o bolas más pesados, cada uno del orden de 1   gramo , con una masa total de aproximadamente 100   gramo . Entonces, el número total de átomos es aproximadamente 10 24 con 3 ⋅ 10 25 pares electrón-protón. Con sensibilidad de carga fraccionaria, un experimento de equilibrio de torsión puede alcanzar una sensibilidad de asimetría de carga de un impresionante 10 − 26 mi .

3. Bressi, G.; Carugno, G.; Della Valle, F.; Galeazzi, G.; Ruoso, G.; Sartori, G. 'Prueba de la neutralidad de la materia por medios acústicos en un resonador esférico'. física Rev. A , 2011 , 83 (5), 052101. DOI: 10.1103/PhysRevA.83.052101 .

Se critica el resultado de Dylla y King (1973): Bressi et al. afirmar que el resultado de la pareja anterior en realidad no es mejor que 10 − 19 mi . El propio resultado de Bressi et al es (asumiendo la conservación de la carga en β − -decadencia)

q pags + q mi mi = ( − 0.1 ± 1.1 ) ⋅ 10 − 21 .

Este es también su límite en la carga máxima del neutrón.

Advertencia: esta respuesta se escribió en base a una breve navegación, no a un análisis exhaustivo. Asumí que todas las incertidumbres se cotizan como incertidumbres estándar como en el OP. Siéntase libre de editar o señalar cualquier inconsistencia. Si agrega nuevos documentos o si su edición es significativa, también puede convertir esto en un wiki de la comunidad.
Experimento propuesto con potencial para lograr 10 − 28 mi precisión: Arvanitaki, Asimina, et al. " Cómo probar la neutralidad atómica y de neutrones con interferometría atómica ". Cartas de revisión física 100.12 (2008): 120407. arXiv:0711.4636
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