前所未有的的精確測量:在量子電動力學中用雷射求解質子電荷半徑

2020-12-25 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：研究組對原子氫的1S-3S躍遷進行了雙光子紫外直接頻率梳光譜分析，以闡明所謂的質子半徑之謎，並證明這種方法的潛力。質子半徑之謎是指介子氫和常規原子氫所得數據之間的顯著差異，這在量子電動力學框架內無法解釋。通過將研究組的結果與之前對1S-2S躍遷頻率的測量結果相結合，研究組得出了裡德堡常數的最新值。該結果使介子值優於最新發布的CODATA 2014校正後所提供的世界平均數值。

圖0 Alexey Grinin和 Dery Taray正在1s-3s實驗的真空系統裝備前工作

來自德國馬普量子光學研究所的物理學家們在一個完全精密的新水平的層面上進行了量子力學的測試，測量技術使用的是氫光譜學，並且非常接近的解決了著名的質子電荷半徑難題。

來自馬普量子光學研究所的科學家們成功的測試了量子電動力學，並達到了史無前例的高精度，即達到了13個小數點位數。這一新的測量幾乎是早先所有的氫測試結果的2倍高的精度，使得科學研究在解決質子大小之謎的道路上更進了一步。這一高精度獲得了諾貝爾獎——頻率梳技術，是首次亮相來在高解析度的光譜學層面來激發原子。這一研究結果發表在近日出版的期刊《Science》上。

圖1 質子電荷半徑測量

物理學可以說是一門精確科學。這就意味著物理理論的預測——精確數值——可以通過實驗來被證實或篡改。實驗可以認為是物理學中最高的法官。量子電動力學，是量子力學的相對論版本，無疑是目前為止最為成功的理論。它使得極端精密的計算得以實現，例如，描述氫原子的光譜到12個小數點位數。氫是宇宙中最常見的元素，與此同時是只有一個電子的最簡單的物質。

圖2 雙光子直接頻率梳狀光譜學 的實驗原理（左圖）及其裝置 （右圖）

質子大小之謎

氫原子中的電子可以感知質子的尺寸，這一現象通過能量水平的微小的位移所反應出來。多少年來，關於氫的大量的實驗得出幾乎一致的質子半徑。對於一種稱之為μ氫的光譜學研究，此時的電子被質量是其200倍數的孿生μ介子，揭示出其神秘之處。這一測量首先在2010年同 Randolf Poh進行合作研究，在那時是雷射光譜學工程系的Hnsch教授所領導的課題組，現在是位於美因茨的約翰內斯·古滕貝格大學。質子半徑的值可以來源於這些實驗，比常規氫小百分之四。 如果所有的實驗被認為是正確的，一個同量子電動力學相矛盾的理論就會在測量μ介子和普通氫中發生，當所有的理論條件是正確的話，必須報導同一質子半徑。結果，這個質子半徑難題在整個世界刺激了新的精密的測量。然而， garching和 toronto的新的測量結果證實了較小的質子半徑，一個來自巴黎的測量結果又證實了早先的較大的值。

光譜學的裝置

圖解：在這一個圖中，不同的質子半徑以費米（千萬億分之一公尺， fm ）為單位進行比較。在普通氫中的1S-3S躍遷測量得到的新的數值接近在μ氫2S-2P躍遷所測量得到的數值。儘管奇異原子可以在百萬分之二秒這麼短的時間內產生，尤其對質子半徑比較敏感。於是它忍受這最小的測量誤差（水平黑色誤差線）。

啁啾引起的剩餘一階都卜勒頻移

測量結果的比較

科學在獨立比較方面蓬勃發展。這就是為什麼來自雷射光譜學系的 Alexey Grinin, Arthur Matvee和 Thomas Udem所領導的團隊打算測量同一躍遷的原因，他們在巴黎利用一個完全的和互補的辦法來進行了測量。採用一種稱之為無都卜勒雙光子頻率梳譜（ Doppler-free two-photon frequency comb spectroscopy）技術，他們成功的將測量精度提高到四分之一。質子半徑的結果是所有以前所有在氫的測量結果中的兩倍以上的精度。同時是首次將量子力學的測量結果達到了小數點後第十三位。這一方法所確定的質子半徑的數值證實 了較小的質子半徑和由此將其他的理論所導致的結果都排除在外。由於同一躍遷的原因，實驗結果必須相一致，不管是在何種理論依據的指導下進行的測量。圖1則表示了當前的狀態。

評估量子電動力學的有效性只有在獨立的測量結果進行比較的時候才有效。如果理論和所採取的應用是正確的，那麼所有的測量實驗都得到正確的實施的話，質子半徑的數值必須符合實驗不確定性的邊界範圍之內。但這顯然在事實中不符合，正如我們在圖片中所看到的一樣。這一差異所揭露的——質子之謎——打開了量子動力學的可能性，最精確的物理理論，也許有一個根本的缺陷。這一結果，無論如何，表明問題在於實驗，而不是基本的本質。並且量子電動力學將會再次取得成功。

在頻率梳譜尚新的裡程碑

藍色雷射（波長為４１０ｎｍ）在脈衝 Ti：Sapphire雷射使用非線性晶體時獲得的二次諧波。

頻率梳譜在本項目中的成功實施也意味著在另外一個層面的科學上的裡程碑。在氫和其他原子和分子的精精密光譜學幾乎都是在連續波雷射器中實施的。相反的，頻率梳可以通過脈衝雷射來產生。在這一雷射中也可能滲入非常短的波長到極端紫外的範圍。在連續波雷射中，這似乎是無望的努力。非常有趣的離子，諸如類氫氦離子，在這一光譜範圍內躍遷，但即使在首次量子理論問世超過100年了，他們呢仍然不能被精確的研究。如今的實驗在改變這一令人不滿意的現狀上邁出了重要的一步。此外，期望這些紫外頻率梳將會允許生物學和化學中重要的元素，如氫和碳可以直接通過雷射來冷卻，使得可以更加精確的從科學的層面來研究他們。

More information:Alexey Grinin et al. Two-photon frequency comb spectroscopy of atomic hydrogen, Science (2020). DOI: 10.1126/science.abc7776，Science 27 Nov 2020:Vol. 370, Issue 6520, pp. 1061-1066,DOI: 10.1126/science.abc7776和Max Planck Society

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