質子半徑之謎,已被解開?

物理學家們用獨特的新測量質子電荷半徑的方法來接近解決質子半徑之謎

利用半個世紀以來第一種通過電子散射測量質子大小的新方法，PRad的合作在能源部的Thomas Jefferson國家加速器設施進行的一項實驗中為質子半徑產生了一個新的值。

這一結果最近發表在《自然》雜誌上，是電子散射實驗中最精確的測量結果之一得到的質子半徑的新值為0.831fm，比以前的電子散射值0.88fm小，與最近的多電子原子光譜結果一致。

北卡羅萊納州a&T州立大學教授、實驗發言人阿肖特·加斯帕裡安說：「我們很高興，多年來我們的努力工作即將結束，取得了一個好的結果，這將對解決所謂的質子半徑難題起到至關重要的幫助。」。

宇宙中所有的可見物質都是建立在一個由三個夸克和強大的力能結合在一起的雲上的。無處不在的質子，位於每個原子的核心，已經成為許多旨在揭示其秘密的研究和實驗的主題然而，一項以均方根電荷半徑衡量雲團大小的實驗的意外結果，使原子物理學家和核物理學家們在一系列活動中聯合起來，重新審視質子的基本數量。

在2010年之前，對質子半徑最精確的測量來自兩種不同的實驗方法在電子散射實驗中，電子被射向質子，質子的電荷半徑由電子從質子上反彈或散射後的路徑變化決定在原子光譜測量中，當電子圍繞一個小原子核運行時，可以觀察到電子能級之間的躍遷（以電子發出的光子的形式）通常觀測到的原子核包括氫（含一個質子）或氘（含一個質子和一個中子）。這兩種不同的方法產生的半徑約為0.88毫米。

2010年，原子物理學家宣布了一種新方法的結果他們測量了實驗室製造的氫原子軌道上電子能級之間的躍遷，氫原子用μ介子取代了軌道上的電子，μ介子軌道更接近質子，對質子的電荷半徑更敏感。這個結果產生的值比以前小了4%，大約為0.84毫米。

2012年，由Gasparian領導的科學家在傑斐遜實驗室合作，對電子散射方法進行了改進，希望能產生一種新的、更精確的測量質子電荷半徑的方法PRad實驗是繼核物理研究的DOE用戶設備連續電子束加速器設備升級後，第一批獲取數據並完成運行的實驗之一實驗於2016年在傑斐遜實驗室的實驗大廳B採集了電子散射數據。

「當我們開始這個實驗時，人們在尋找答案但為了進行另一個電子質子散射實驗，許多懷疑論者不相信我們能做任何新的事情如果你想想出新的東西，你必須想出一些新的工具，一些新的方法我們做了一個完全不同於其他電子散射實驗的實驗。」

合作制定了三項新技術來提高新測量的精度首先是一種新型無窗靶標系統的實現，該系統由國家科學基金會重大研究儀器撥款資助，主要由傑斐遜實驗室的靶標小組開發、製造和操作。

無窗靶直接將製冷氫氣送入CEBAF的1.1和2.2gev加速電子流中，使散射電子幾乎不受阻礙地進入探測器。

「當我們說無窗時，我們是說電子管對加速器的真空是開放的這看起來像一個窗口——但在電子散射中，窗口是管子末端的一個金屬蓋，這些已經被移除，」實驗聯合發言人、密西西比州立大學教授迪潘加爾·杜塔（Dipangkar Dutta）說。

杜克大學實驗聯合發言人、亨利·紐森教授海燕·高說：「這是人們第一次在傑斐遜實驗室的光束線上設置氣流目標。」真空度很好，所以我們可以讓電子束穿過我們的目標進行實驗，我們實際上有一個孔在入口箔和另一個在出口箔。基本上，光束只是直接穿過氫氣，看不到任何窗口。」

下一個主要的區別是使用量熱計而不是傳統上使用的磁譜儀來檢測由入射電子撞擊氫的質子或電子而產生的散射電子重新設計的混合量熱計HyCal測量了散射電子的能量和位置，而一個新的氣體電子倍增器GEM探測器也測量了電子的位置。