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質子有多大? 粒度拼圖更接近分辨率

來源:Nature2019-11-11

Nature 2019-11-11

期待已久的實驗結果表明,質子比先前接受的值小約5%。這一發現幫助促使人們重新定義了粒子的官方尺寸,并且似乎預示著質子半徑難題的終結。自2010年以來,該難題就一直困擾著物理學家。

結果發表在116日的《自然》雜志上,該粒子的半徑為0.831飛米。自去年9月以來,專家們就已經知道了這種測量方法,以及使用另一種方法進行的并發測量,該方法已于9月在《科學》雜志上發表。研究人員說,這項發現導致科學技術數據委員會(CODATA)記錄了自然界的基本常數的最新數據,該委員會于2018年底修訂了其手冊。華沙大學物理學家,主持CODATA任務組。盡管一些研究人員仍持謹慎態度,但他認為最新的論文絕對解決了這個難題

物理學家使用兩種主要技術來測量質子的大小。一個取決于電子如何繞原子核運動。由于一些電子軌道穿過原子核中的質子,因此質子的大小會影響電子與原子核結合的強度。因此,精確測量各種電子能級之間的差異(一種稱為光譜學的技術)提供了一種估算質子半徑的方法。第二種技術涉及用粒子束撞擊原子并觀察這些粒子如何從核中散射。

大約十年前,光譜學和散射實驗似乎都集中在0.8768飛米(百萬分之一毫米的百萬分之一)的質子半徑上。

但是在2010年,光譜學的新變化使這種田園共識產生了不確定性。在瑞士維利根(Villigen)的PaulScherrer研究所(PSI),物理學家通過用μ子取代電子來產生異乎尋常的氫原子。μ子是類似于電子的基本粒子,但質量要大200倍。由于介子在質子內部花費的時間更長,因此它們的能級受到的影響比電子大得多。這意味著質子半徑的μ子測量應比使用普通氫進行的測量精確數百萬倍。研究小組測得的質子半徑為0.84184飛米。

RandolfPohl領導了鼠類氫的測量,目前在德國美因茲的約翰內斯古騰堡大學就讀,他與其他證實了該值的鼠類實驗進行了合作。有一陣子,研究人員認為,這種差異揭示了電子和介子的行為以前未知的差異,這可能會擾亂電磁現象的既定量子理論。

然而,最近,使用普通氫進行的改進光譜實驗發現了收縮的質子,這表明介子畢竟不是那么特別。物理學革命的前景開始褪色。這些努力最終以《科學》論文2告終。在花費了八年的時間完善光譜技術之后,這項工作的團隊發現了半徑為0.833飛米muon實驗的值一致。

但是,巴黎索邦大學進行的更為傳統的光譜實驗仍然不同意這一結果。而且沒有人能解釋為什么散射技術指向更大的質子。現在,第一次散射實驗也發現了一個較小的質子。

最新的稱為PRad的實驗在弗吉尼亞州紐波特紐斯的托馬斯·杰斐遜國家加速器設施中使用了加速器。PRad向氫分子發射一束電子,并測量一些電子的偏轉方式。先前的散射實驗使用了高能電子束,該束對質子半徑的敏感性有限,然后外推到較低的電子能量來確定半徑。這意味著他們必須做出可能會扭曲最終結果的理論假設。但是PRad使用的較低能量可以解決該問題。

為了進一步提高精度,PRad將其氫分子直接注入攜帶電子束的真空管中,而不是像許多先前的實驗一樣將其保留在金屬容器中。這意味著沒有電子撞擊金屬并混淆測量結果。此外,研究小組同時測量了束流如何不僅散射出氫的質子,還散射出了電子。比較這兩種類型的散射意味著可以消除另一個主要的誤差源-氫密度的波動-這是Pohl所說的非常聰明的技術。

PRad的發言人,格林斯伯勒的北卡羅萊納州AT州立大學的粒子與核物理學家AshotGasparian認為,他仍然可以升級他的實驗以進一步提高其精度。

但是,劍橋麻省理工學院的物理學家揚·伯瑙爾(JanBernauer)領導了較早的散射測量,發現了較大的質子,但PRad的結果并不完全使人信服。我認為這個難題尚未完全解決,但是我們取得了一些重大進展。他說,正在進行的實驗,包括從PSI開始的一項實驗,可能會一勞永逸地解決這一難題。

理論家一直在瘋狂地提出理論來解釋異常的介子,因此,傳奇的結論將使許多物理學家感到憂郁。波爾說:我不認為質子半徑的差異可能是由于一些新的物理學原因而留下的希望。但是,他補充說,旨在將精度降低另一個數量級的實驗可能仍會發現與既定理論的偏差很小。所有這些想法不會僅僅因為測量結果一致而消失。

 

doi10.1038/d41586-019-03432-4

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