用μ子製成的氫顯示出質子大小的難題

2020-12-25 耀說科技

導語:用μ子製成的氫顯示出質子大小的難題

質子的電荷半徑不應該改變,但似乎。

雖然微小,質子佔據了有限的空間,足以容納三個夸克,一大堆虛擬粒子及其相關的餃子。

我們可以測量半徑,因為質子的電荷在它上面擴散,這會影響可能繞其旋轉的任何電子的軌道。這形成了一種充滿異國情調,較重的氫原子。在這裡,測量質子的半徑產生了一個完全不同的值 - 這是不應該發生的。

這個「質子半徑謎題」表明我們的物理模型可能存在根本性的錯誤。發現它的研究人員現在已經開始在氘周圍放置μ子,這是一種較重的氫同位素。他們證實問題仍然存在,並且沒有辦法用現有理論解決問題。

Muons會引起質子問題

電子是熟悉的,因為它們是我們看到的問題的一部分。但它們是更大的粒子族(帶電荷的輕子)的一部分,其中大部分都更重且非常不穩定。μ子是其中之一,質量接近質子的質量,半衰期僅為2.2微秒。但是,除了質量和不穩定性之外,μ子應該表現得像普通的電子。

一大群研究人員通過替換圍繞質子旋轉的電子來測試這一點,創造出一種異乎尋常的氫原子。在μ子衰變之前的一秒中,可以測量這些原子的性質。該團隊專注於跟蹤在質子周圍的不同軌道之間移動μ子所涉及的能量,使用它來推斷質子的電荷半徑。

他們的第一次嘗試顯示出一些奇怪的東西:他們獲得的半徑值明顯小於使用電子測量時得到的值。請記住,μ子和電子應該是等價的,因此應該沒有區別。目前,我們沒有物理學可以解釋這種差異。

或者至少直到團隊收集更多數據,將重要性提升到超過七西格瑪。在這一點上,沒有辦法解決我們所謂的「 質子半徑謎題 」 這一事實。

這聽起來像是一個小小的謎題,但請記住,質子的半徑與標準模型等理論聯繫在一起,因此結果表明我們對某些基本物理學的理解可能存在問題。理論家們自然而然地熱情地回應並開發了一些新的模型,這些模型增加了影響μ子與質子相互作用的額外基本力量。

遇見muonic氘

現在,原始團隊重新開始測量。該團隊沒有使用單個質子,而是轉向氘核,氘核具有質子和中子。中子的存在應該改變電子和μ子感知質子電荷的方式。該團隊測量了所得到的muonic氘的特性,以確定這是否改變了質子半徑謎題。

值得花一些時間來了解這些測量的難度。μ子是由粒子加速器產生的,這意味著它們是精力充沛的。這很有用,因為它意味著它們以相當大的光速運動,使它們受到相對論時間膨脹的影響,並減慢它們從固定實驗室設備參考點的衰減。但是要繞原子進入軌道,它們必須放慢速度,這意味著它們會迅速衰減。

作者設置它以便μ子進入一個充滿氘的室並停止。一旦探測器發現μ子到達的指示,雷射就開始發出脈衝,提供能量將任何μ子從2S軌道移動到2P軌道。從那裡,μ子將下降到最低能量軌道,像他們那樣釋放X射線。平均而言,設置在行動中,作者將在一小時內檢測到10個X射線; 測量表明其中三個是背景噪音。

通過測量成功地將μ子移動到更高軌道的雷射脈衝的精確波長,可以確定這些移位所需的能量。從那裡,可以計算質子的充電半徑。同樣,測量結果與您獲得的電子不同。同樣,差異是巨大的:7.5 sigma,遠遠超出作為統計僥倖的可能性。

研究人員將他們論文的一小部分用於描述這一點,以考慮替代解釋,即不需要修改標準模型的解釋。但所有這些都比認為新結果是偶然發生的更糟糕,這些替代方案的可能性從44西格瑪到160西格瑪不等。

因此,質子半徑拼圖仍然是一個難題。這項新工作背後的團隊指出了一些可能有助于澄清它的測量。其中一些涉及使用正常電子進行更好的測量; 其他人則將μ子從質子本身散開,看看是否有一種未知的力量在起作用。後者會告訴我們是否需要超出標準模型的任何東西來解釋這個難題。

通過7個標準差偏離的測量可能暗示新的物理學。

質子有多大?與電子或中微子(它們是像點一樣的基本粒子)不同,質子是夸克,餃子和虛擬粒子的混亂集合,佔據應該是可測量的空間量。而且有多大空間可能相當重要; 正如一篇關於質子尺寸的新論文的作者所說,「質子結構很重要,因為S [地]狀態的電子在質子內部的概率非零」(強調我們的。)

在實驗誤差範圍內,質子大小的各種測量都使其大約為0.88飛秒(fm為10-15米)。但是,一組研究人員在瑞士的粒子加速器上工作,他們發現了一種測量質子大小的不同方法:將一個μ子 - 一個沉重的,不穩定的,相對於質子周圍的電子軌道。得到的原子,稱為muonic氫,可以在μ子衰變之前的短暫時間內測量。這些測量值為質子半徑產生了一個新的,非常高精度的值。只是一個小問題:它其他測量值相差近七個標準偏差。

在今天的「 科學雜誌上發表的描述這些測量的論文很好地說明了測量簡單氫原子的發射如何對物理產生深遠的影響。更好的精確測量表明,這些吸收或發射線中的許多實際上是兩個緊密間隔的頻率; 這提供了狄拉克方程的實驗驗證。與此等式的小偏差最終有助於觸發量子電動力學的發展。

因為氫原子的物理定義如此清晰,所以可以使用這些精確的測量方法來測量它吸收和發射光的方式來生成原子組分的測量值。這些包括尺寸,磁半徑和質子中心的充電半徑等。這些產生的值通常在0.88fm的範圍內,這是很好的,因為這與通過散射電子從其獲得的質子半徑的測量一致。一切都很好看。

然後瑞士人介入了。(它實際上是一個龐大的國際團隊,恰好在瑞士的Paul Scherrer研究所使用粒子加速器生產它的μ子。)Muons來自與電子相同的粒子族。它們帶有相同的電量,但比它們更熟悉的表兄弟重207倍。它們通常也會在大約2 x 10 -6秒內衰減。儘管如此,如果一切都是完美的時間,那麼就有可能將一個物質放入質子周圍的軌道,從而產生一個聲子氫原子(也稱為μp)。

在這種情況下,研究小組準備了一些雷射器,等待μ子探測器提供的觸發器。一旦可能存在多聲氫,雷射就會發射,允許對該原子進行光譜測量。由於μ子(相對)大質量,這些測量為他們在軌道運行的質子的一些基本屬性提供了非常精確的值。研究人員還測量了兩種不同的能級轉換,允許它們獲得第二組獨立值。

兩者都將質子的半徑設置為0.84fm。這似乎不是一個巨大的差異,但高精度意味著幾乎沒有統計誤差。事實上,他們計算的值與其他方法獲得的值相差大約七個標準偏差(或七西格瑪)。

這並不是這個團隊第一次在測量muonic氫時發現了一些有趣的東西。但他們之前的報告只使用了一次能量轉換,精確度降低了十倍以上。這篇新論文確實指出了這裡有趣的事實。沒人確定是什麼。作者花了很大一部分時間來完成所有可以測量它們的因素,但是它們似乎都沒有達到任何非常重要的因素,更不足以說明7-sigma的差異。

另一種可能最令人興奮的可能性是μ子以與電子完全不同的方式與質子相互作用。情況應該不是這樣,如果事實證明是這樣,那麼這就是必須要有一些新的物理學的標誌。即使在那時,事情也很艱難,正如作者所說的那樣:「這種'新物理'的窗口很小,」鑑於我們擁有的現有結果有多少都必須與之兼容。他們似乎喜歡的一個選擇是相對較輕的力量載體的存在,直到現在仍然未被發現。

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註:圖片均來源於網絡

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