原子核半徑測量值存在矛盾:未知力?
2020-12-07 網易探索核心提示：研究人員在測量質子大小的過程中發現了奇怪的矛盾，引出了「質子半徑之謎」。現在同一研究組在對一種叫氘核的粒子進行測量時也發現了相應的差異。這一新發現可能說明對於原子的核心，我們的認識的確在某處出了差錯，而不是簡單的測量誤差。
（原標題：原子核半徑測量值存在矛盾：未知的基本作用力？）
研究人員在測量質子大小的過程中發現了奇怪的矛盾，引出了「質子半徑之謎」。現在同一研究組在對一種叫氘核的粒子進行測量時也發現了相應的差異。這一發表在 Science 上的新發現增加了某種微小的可能性，那就是對於原子的核心，我們的認識的確在某處出了差錯，而不是簡單的測量誤差。
質子，原子核中一種帶正電的粒子，實際上是一個由夸克和膠子組成的絨球。所謂質子半徑之謎，是指當質子被電子環繞時對其半徑進行測量得到的數值總是略微大於其被 μ 子環繞時的測量結果。μ子是質量為電子的207倍，其他性質與電子完全相同的粒子。打個比方，這就好像質子會在μ子在場的時候勒緊腰帶。然而，根據粒子物理的主流理論，質子與μ子及電子的相互作用應該是完全一致的。自從2010年質子半徑之謎誕生以來已經有數百篇文章指出，μ子在場的情況下質子大小的收縮極有可能預示著存在一種之前未知的基本作用力，此作用力存在於質子和μ子之間，而不存在於質子和電子之間。(有趣的是，這一新物理也許還能夠解釋測量μ子反常磁矩時一個存在已久的矛盾現象。)
這「當然會非常棒」，德國加興的馬克思普朗克量子光學研究所的 Randolf Pohl說，他領導了2010年那次實驗以及這次的新研究。「但最實際的情況是，並沒有新的物理。」
殘酷的現實是質子的半徑極難測量，以致於很容易出現測量誤差，尤其是在質子被電子環繞的情況下，也就是正常的氫原子結構。過去的幾十年中許多研究組曾經嘗試這樣的測量，他們得到的質子半徑的平均值僅略低於0.88飛米（10⁻15米）。但是 Pohl 領導的研究組致力於尋求更大的準確率，他們在1998年開始著手在「μ氫」中測量質子半徑，因為 μ 子的重量使質子的大小更容易測量。12年後研究人員在 Nature 上發表了他們的結果，他們測得的質子半徑比過去利用普通氫原子做的任何測量都要精確得多，但是數值只有 0.84 飛米，出奇地低於之前的平均值。
那麼問題來了，難道所有使用正常氫原子的測量結果都恰巧偏大嗎？我在2013年第一次聯繫了 Pohl，這一年他和他的同事在 Science上發表了當時最新的μ氫的測量結果。他用電子郵件發給我一張圖，揭示了隨著技術方法的改變和進步，物理常量的測量值如何發生劇烈的變動，直至收斂至正確數值。「相當有啟發，不是嗎？」Pohl寫道。他在看待事物上一直具有前瞻性。
【圖注】圖例說明了物理常數的測量值如何在收斂至正確數值前發生劇烈的變化。
但是他和他的研究組仍堅持這項研究。他們很早就開始的實驗也最終在2016年8月12日發表。
這一次他們測量了氘核的半徑，也就是氘原子(氫的一種同位素)的原子核半徑，氘核由一個質子和一個中子組成。他們在μ氘中進行測量，而μ氘的原子核被一個μ子環繞。然後科學家們將μ氘的原子核半徑的測量結果和普通的電子環繞的氘核半徑進行比較，以回答這樣的問題：是否存在和質子半徑之謎一致的氘核半徑之謎？
他們的實驗是根據以下原理來探測氘核半徑的：當電子或者μ子在某個特定的能級上環繞氘核，實際上它們有很多時候都停留在氘核內部，氘核有點像太陽系，有許多空的空間。處於氘核內部的電子或 μ 子所受到的吸引力會減小，這是由於此時電荷吸引來自多個方向，一部分互相抵消。所以自相矛盾的是，電子或 μ 子呆在氘核內部的時間越多，它們結合得越不牢固，電子或 μ 子越容易從氘核裡跳出來。由於 μ 子的質量大得多，其比電子更緊密地圍繞著氘核，因此有更大的可能出現在氘核內部。這也意味著，μ 氘中，更多的電荷被抵消；這種由於氘核結構引起的更多的電荷抵消使得 μ 子成為測量核半徑的更精確的探針。
為了準確測量氘核半徑，研究人員向 μ 氘氣體發射了一束雷射，使 μ 子躍遷到更高的能級，此時μ子的波函數和原子核的電荷分布沒有重疊。Pohl 的研究團隊能夠精確地測出 μ 子躍遷所需的能量，反映了當 μ 子部分地處於氘核內部時，它們如何微弱地捆綁在一起。正是從這點出發，他們能夠搞清楚「氘核的內部」的分界線在哪裡，而這就是氘核的半徑。
當 Pohl 和同事進行實驗時，他們發現 μ 氘的原子核半徑比用電子氘測量出的平均值更小，就像質子半徑之謎中的差異一樣。如果這兩個效應都來自於同一種新的作用力，那麼就像研究人員預料的那樣，大小的測量值差別隨著質子到氘核逐步增大。「所以目前存在兩個矛盾，而且兩者是完全獨立的，」除了它們是由同一個研究組測量的，Pohl說道。
然而，Pohl 仍然對「半徑之謎」證明了存在新的基本物理原理這一說法高度懷疑。
他個人的猜測是，物理學家們錯誤地測量了 Rydberg 常數，此數值是在計算原子能級差時引入的一個因子。雖然 Rydberg 常數被認為是最精確測量的常數之一，但一點微小的誤差就能夠引起質子和氘核半徑之謎。
為了檢測這種可能性，多倫多的物理學家正在嘗試一種可以避開 Rydberg 常數的方法來測量質子半徑。另一些實驗研究正在努力檢驗其他各種可能的假說。Pohl的團隊目前正深入研究 μ 氦，由於氦原子具有兩個質子，所以如果真的存在新的基本作用力，其效應將會在該系統中加強。
相關焦點
-
科學家裡有雷射技術首次測量原子間範德華力
原子間、分子間和物體表面間的範德華力以各種不同方式出現在日常生活中。例如，蜘蛛和壁虎就是依靠範德華力才能沿著平滑的牆壁向上爬，我們體內的蛋白質也是因為範德華力的存在才會摺疊成複雜的形狀。 範德華力是以荷蘭科學家約翰內斯•迪德裡克•範德華的名字命名的，他在1873年第一次提出了範德華力這個概念用以解釋氣體的行為。 -
科學家發現未知梨形原子核 顛覆傳統理論?
新浪科技援引美國《赫芬頓郵報》的報導稱，《自然》雜誌近日刊載了一篇文章，其中論述了一種此前未知的梨形原子核的發現。這種不規則形狀的原子核將有望顛覆傳統的原子物理理論，並揭開宇宙中物質多於反物質的謎團。 -
青春擁抱時代|本科生馬雲飛在Physical Review C發表機器學習方法探究原子核半徑科研成果
我校理學院2016級應用物理學專業本科生馬雲飛的科研成果《基於貝葉斯機器學習預測原子核電荷半徑》（Predictions of nuclear charge radii and physical interpretations based on the naive Bayesian probability classifier）在《Physical Review C》在線發表。 -
法科學家首次直接測量範德華力
範德華力是中性原子之間通過瞬間靜電相互作用產生的弱作用力，以其發現者荷蘭物理學家約翰尼斯·迪德裡克·范·德·瓦耳斯的名字命名。很多物質的「一舉一動」都與這種力有關：正是這種力讓大多數氣體分子簇擁在一起；也是這種力讓壁虎的腳趾頭緊緊貼在光滑的牆壁上。但是，只有當原子緊緊「依偎」在一起時，這種弱作用力才明顯，所以，科學家們迄今沒有直接測量到這種作用力。 -
研究人員報告說,更加準確地測量了中子的半徑
中子的大小不能直接測量：只能從涉及其他粒子的實驗中確定。到目前為止，雖然這種計算是使用舊的重原子測量以非常間接的方式進行的，但波鴻魯爾大學理論物理研究所（RUB）的一個團隊卻採取了另一種方法。通過將他們非常精確的計算與最近對輕核的測量相結合，研究人員得出了一種更直接的方法。 -
沒有電容計,如何測量未知電容?
實際上，有許多方法可以測量各種難度和精度的未知電容值，我們來看看如何藉助理論輕鬆測量這兩種電氣參數。4m1EETC-電子工程專輯正弦交流電壓下的電容器向電容器施加直流電壓，當瞬變結束，其行為就如開路一樣。然而，當電容器處於正弦信號下時，它的行為不再像開路，而是開始吸收電流，呈現出 「電容電抗」（以歐姆表示）。該分量類似於電阻。 -
原子,沒有最小,只有更小,甚至可以總結人類知道的所有知識
如今，原子量的概念仍繼續沿用（現在是用碳12作為原子量的標準，定它的原子量為12，以各元素的原子質量與碳12的原子質量的比值作為各原子的原子量）。 這些就是人類對原子第一階段的認識。在這期間，科學家認為原子真實存在，是物質的最小單位，也是無法再分割的粒子。 第二階段 實驗認識 1897年，英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆遜 -
量子力學和相對論的百年矛盾!超弦理論能否使其化幹戈為玉帛?
量子力學描述了原子級別和次原子級別粒子的運動規律，其實微觀領域的粒子們運動速度大多數情況都處於高速狀態下。比如中微子，核外電子，高能粒子流等。而量子力學對這些高速運動的粒子規律描述，就必須需要測量他們的位置，動量，時間信息。高速運動的粒子時間肯定是膨脹的，量子科學家們這時候就必須引入狹義相對論來解釋這樣的現象。 -
中子星密度高達每立方釐米1億噸，是否意味著還存在未知的元素？
中子星上的物質處於中子態，並不是未知元素世界上並非所有物質都是由原子構成的。中子星是宇宙中一類緻密的天體，它不是由原子構成的，而是由中子直接構成的。既然不存在原子結構，也就沒有元素概念了。中子星是已知的密度僅次於黑洞的天體，半徑通常在10~30公裡左右。理論上還存在一種密度介於它們之間的夸克星。 -
中子星密度高達每立方釐米1億噸,是否意味著還存在未知的元素?
中子星上的物質處於中子態，並不是未知元素世界上並非所有物質都是由原子構成的。中子星是宇宙中一類緻密的天體，它不是由原子構成的，而是由中子直接構成的。既然不存在原子結構，也就沒有元素概念了。中子星是已知的密度僅次於黑洞的天體，半徑通常在10~30公裡左右。 -
精確測量弱力的物理哲學依據
美國維吉尼亞州的託馬斯·傑弗遜加速器實驗室的物理學家5月9日在《自然》雜誌發表了最新的「Q—實驗」成果，他們測量到迄今為止最精確的「弱力」數據，世界各國的科技媒體紛紛報導了精確測量「弱力」的成果、實驗的意義和對粒子物理學的影響。 -
——矛盾的哈勃常數
這一不安來自對宇宙目前膨脹速度的測量，也就是哈勃常數。 大型國際天文學家團隊通常會使用兩種方法來測定它。所有的團隊都極度的審慎，仔細檢查並核對了自己的結果，他們的測量看上去都確鑿無疑。然而，用一種方法測到的數值就是無法與另一種方法測到的相符。 這一矛盾既危險，又重要。 -
既然引力與其他三種力不統一,可不可以認為它不存在,就是時空扭曲...
引力子，又稱重力子，在物理學中是一個傳遞引力的假想粒子（目前仍未知是否真正存在）。為了傳遞引力，引力子必須永遠相吸、作用範圍無限遠及以無限多的型態出現 引力是與質量同時存在的，是質量的固有屬性 -
著名「魔數」的最精確測量
出現在任何精準測量之間的差異，都意味著可能存在被標準模型遺漏的粒子或作用力。這是迄今為止對精細結構常數的最精確測量。他們將常數的值測量到小數點後第11位，得出的結果為1/137.035999206(11) 。 -
宇宙中存在多少原子?
例如：人們認為，在我們可觀測的宇宙中，存在著1.2 x 10^到3.0 x 10^顆星體。但再離得近一點看，以原子為單位，這些數據或將變得更加不可思議。據估計，在這個水平上，已知、可觀測的宇宙中，有10^78到10^82個原子。用外行人的話來說，這相當於10千萬億到10萬個千萬億的原子。但這些數據仍不能精確地反映出宇宙中所包含物質的真實數目。 -
用雷射測量氦原子核的半徑
近日，瑞士的保羅謝爾研究所（Paul Scherrer Institute，PSI）的研究小組發表了最新的氦原子核半徑的測量結果。此次測量結果相比於之前精確度提高了5倍。更加精確的測量結果有助於驗證物理學理論和確定物理基本常數的數值。該實驗採用了μ子—一種類似於電子，但比電子重兩百倍的基本粒子。PSI也有著全球唯一的低能量μ子源。 -
測量平差如何計算
測量工作中，往往由於以下幾方面，測量誤差總是不可避免.(1) 儀器條件：儀器在加工和裝配等工藝過程中，不能保證儀器的結構能滿足各種幾何關係，這樣的儀器必然會給測量帶來誤差。(2) 外界條件：主要指觀測環境中氣溫、氣壓、空氣溼度和清晰度、風力以及大氣折光等因素的不斷變化，導致測量結果中帶有誤差。(3) 方法：理論公式的近似限制或測量方法的不完善。(4) 觀測者的自身條件：由於觀測者感官鑑別能力所限以及技術熟練程度不同，也會在儀器對中、整平和瞄準等方面產生誤差。 -
宇宙或存在第五種基本力
目前模型無法解釋這顆粒子的存在，它可能導致發現一整套全新粒子的，甚至可能發現第五種基本力。去年在日內瓦大型強子對撞 機產生的數據裡，兩次單獨的測量發現了一顆疑似粒子，後者似乎比希格斯玻色子重六倍。如果這顆粒子被證實是真實存在而非測量波動所致，那麼它將是一項巨大 的新發現。佛羅倫斯義大利國家核物理學學會的研究科學家米歇爾? -
重大研究成果:首次成功測量單個原子質量的無窮小變化
量子力學打開了世界的新門：當原子通過電子的量子躍變吸收或釋放能量時，它變得更重或更輕。這可以用愛因斯坦的相對論（E = mc2）來解釋。但是，對單個原子質量的變化來講影響甚小。最近，馬克斯·普朗克核物理研究所的科學家們還是成功地首次測量了單個原子質量的這種極為微小的變化。