質子半徑之謎或終結?最新測量結果比原以為的小5%

2020-11-25 騰訊網

原文作者：Davide Castelvecchi

精確測量結果表明，質子半徑比物理學家們之前公認的結果還要小。

期待已久的實驗結果表明，質子尺寸比先前大家公認的值小約5％。這一發現1促使人們重新定義質子的標準大小並且可能宣告著「質子半徑之謎」的終結。自2010年以來，這一謎題就讓物理學家們樂此不疲。

研究人員使用託馬斯·傑斐遜國家加速器裝置（Thomas Jefferson National Accelerator Facility）的CEBAF加速器來測量質子半徑。| 來源：美國國家能源部傑斐遜實驗室（DOE’s Jefferson Lab）

11月6日發表在《自然》雜誌上的一篇論文得出質子半徑為0.831飛米的結論。另外，幾乎同時進行的採用另一種測量方法的實驗結果也發表在9月的《科學》雜誌上2。這兩組測量結果在去年就已經得到了業內專家的關注。

國際科技數據委員會(Committee on Data for Science and Technology, CODATA)是一個負責記錄自然界基本常數最新測量數據的組織，華沙大學理論物理學家Krzysztof Pachucki領導了CODATA的一個工作組。Krzysztof Pachucki表示，這兩組實驗促使該委員會於2018年底修訂了其手冊。儘管一些研究人員仍持謹慎態度，但他認為最新的兩篇論文 「確實已經解決了謎題」。

物理學家們使用兩種主要技術來測量質子的大小。一種技術基於電子繞原子核的運動。由於某些電子軌道會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的結合強度。利用光譜學技術精確測量各電子能級之間的差別，物理學家就可以估算質子的半徑。第二種技術採用粒子束撞擊原子並記錄這些粒子如何被原子核散射。

峰迴路轉

大約十年前，光譜學實驗和散射實驗似乎都得到了質子半徑為0.8768飛米的結論（1飛米=10^-15米）。

但是在2010年，光譜學的新發展使這種看似優雅的共識產生了不確定性。在瑞士維利根的保羅謝勒研究所（PSI, Paul Scherrer Institute），物理學家們通過將電子替換為μ介子，製造出了奇異的氫原子。μ介子是一種類似於電子的基本粒子，但質量大約是電子的200倍。由於μ介子在質子內部運行的時間更長，因此它們的能級受到質子的影響比電子大得多。這意味著用μ介子測量得到的質子半徑應該比使用普通氫原子的測量結果精確幾百萬倍。該團隊使用這一新方法測得的質子半徑為0.84184飛米3。

Randolf Pohl領導了此次μ介子氫原子測量實驗，目前就職於德國約翰內斯·古騰堡大學。他與其他μ介子實驗組合作重複驗證了這一數據。有一陣子，研究人員認為這兩種質子半徑數據的差別揭示了電子和μ介子具有尚且未知的行為差異，這可能會推翻已有的解釋電磁現象的量子理論。

然而，最近經過改進後的光譜學實驗採用普通氫原子也發現了更小的質子半徑，這表明μ介子也不是那麼特別。一場物理學革命似乎是黃粱一夢。這些努力最終化為了一篇發表於《科學》雜誌的論文2。在花費了八年時間完善光譜技術之後，這篇論文的實驗團隊得到了0.833飛米的質子半徑，與μ介子實驗結果大概一致。

但是，在巴黎索邦大學進行的更為傳統的光譜學實驗仍然與這一結果相左4。之前，沒有人能解釋為什麼散射技術會測出更大的質子。現在，在散射實驗中研究人員第一次測出了一個較小的質子半徑。

精益求精

最新的「PRad」實驗使用了一臺位於託馬斯·傑斐遜國家加速器裝置（Thomas Jefferson National Accelerator Facility）的加速器。在PRad實驗中，實驗人員向氫分子發射一束電子，並測量部分電子的運動方向是如何偏轉的。先前的散射實驗使用了高能電子束（然而這種電子束對質子半徑的敏感性有限），然後將實驗數據外推到較低的電子能量來確定質子半徑。這意味著他們必須做一些可能歪曲最終結果的理論假設。但是PRad實驗中使用的較低能量電子束可以繞過該問題。

為了進一步提高精度，PRad實驗將氫分子直接注入要通過電子束的真空管中，而不是像許多先前的實驗一樣將氫分子保留在金屬容器裡。這意味著沒有電子會撞擊金屬並幹擾測量結果。此外，研究小組同時測量了電子束如何既散射氫原子當中的質子，又散射氫原子當中的電子。分辨這兩種類型的散射事件意味著研究人員可以消除另一個主要的誤差源，也即氫原子密度的波動。Pohl盛讚這種技術「非常高明」。

PRad項目的發言人、北卡農工州立大學的粒子和核物理學家Ashot Gasparian認為，他仍可以繼續改進實驗以進一步提高精度。

但是，領導了較早的散射測量並測出較大質子半徑的麻省理工學院物理學家Jan Bernauer並不完全認同PRad實驗的結果，他說：「我認為這個謎題尚未完全解決，但我們的確取得了一些重大進展。」他認為正在進行的幾個實驗（包括PSI的一項實驗）可能會徹底解決這一謎題。

理論物理家們一直在瘋狂地提出各種理論來解釋異常的μ介子，因此，最近重要的實驗結論將使許多物理學家感到憂鬱。Pohl說：「我不認為質子半徑的測量差異來自於某些新物理。」但是，他補充說，旨在將精度再提高一個數量級的實驗仍有可能會發現與現有理論之間的微小偏差。「這些理論不會僅僅因為不同實驗測量結果一致而變得一文不值。」

參考文獻：

1.Xiong, W.et al. Nature575, 147–150 (2019).

2.Bezginov, N.et al. Science365, 1007–1012 (2019).

3.Pohl, R.et al. Nature466, 213–216 (2010).

4.Fleurbaey, H.et al. Phys. Rev. Lett.120, 183001 (2018).

原文以How big is the proton? Particle-size puzzle leaps closer to resolution為標題發表在2019年11月07日的《自然》新聞上

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  • 質子半徑精確到0.833飛米
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  • 迄今最精確質子電荷半徑測出—新聞—科學網
    氫是宇宙中最常見、最基礎的元素，但其質子電荷半徑大小仍是未解之謎。
  • 質子半徑0.831飛米,精確到十億分之一毫米,十年之謎終於解開
    對於其中一種被稱為電荷半徑的特性的實驗分歧，讓科學家開啟了十年來越來越精確的測量之路，科學家們在11月6日的《自然》雜誌上公布了一種新的測量方法的結果。期待已久的實驗結果表明，質子比先前接受的值小約5％。研究人員認為這個不確定性的謎題正在接近尾聲，十年之謎終於解開。
  • 測量結果表明質子半徑比預期的要小,是否會重新定義裡德伯常數?
    通過新的測量顯示，質子的半徑比先前預想的要小4%到5%。因此，科學家們建議應該重新定義裡德伯常數。因此，對許多科學領域來說，測量質子的大小是很重要的。此外，近年來，其他測量結果表明，官方的信息並非永遠正確。2010年，科學家用雷射光譜對質子-介子化合物進行了研究。測量結果表明，質子電荷半徑為0.84184飛米，比先前官方認可的數值（0.8768飛米）小了4%左右。
  • 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。
  • 不斷向微觀發起挑戰,科學家精確測量了質子的半徑
    得到的質子半徑新值為0.831飛米，與最近的介子原子光譜結果一致。實驗發言人阿肖特·加斯帕裡安說：「我們很高興多年的艱苦合作終於有了一個好的結果，這對所謂的質子半徑之謎的解決起到了關鍵作用。」宇宙中所有可見的物質都是建立在一個由三個夸克組成的雲上，它們以強大的能量結合在一起。