千禧国际娱乐app是什么意思·质子半径之谜或终结?最新测量结果比原以为的小5%

时间:2020-01-11 12:15:31    作者:匿名     阅读量:2593

千禧国际娱乐app是什么意思·质子半径之谜或终结?最新测量结果比原以为的小5%

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原文作者:davide castelvecchi

精确测量结果表明,质子半径比物理学家们之前公认的结果还要小。

期待已久的实验结果表明,质子尺寸比先前大家公认的值小约5%。这一发现1促使人们重新定义质子的标准大小并且可能宣告着“质子半径之谜”的终结。自2010年以来,这一谜题就让物理学家们乐此不疲。

研究人员使用托马斯·杰斐逊国家加速器装置(thomas jefferson national accelerator facility)的cebaf加速器来测量质子半径。| 来源:美国国家能源部杰斐逊实验室(doe’s jefferson lab)

11月6日发表在《自然》杂志上的一篇论文得出质子半径为0.831飞米的结论。另外,几乎同时进行的采用另一种测量方法的实验结果也发表在9月的《科学》杂志上2。这两组测量结果在去年就已经得到了业内专家的关注。

国际科技数据委员会 (committee on data for science and technology, codata) 是一个负责记录自然界基本常数最新测量数据的组织,华沙大学理论物理学家krzysztof pachucki领导了codata的一个工作组。krzysztof pachucki表示,这两组实验促使该委员会于2018年底修订了其手册。尽管一些研究人员仍持谨慎态度,但他认为最新的两篇论文 “确实已经解决了谜题”。

物理学家们使用两种主要技术来测量质子的大小。一种技术基于电子绕原子核的运动。由于某些电子轨道会穿过原子核中的质子,因此质子的大小会影响电子与原子核的结合强度。利用光谱学技术精确测量各电子能级之间的差别,物理学家就可以估算质子的半径。第二种技术采用粒子束撞击原子并记录这些粒子如何被原子核散射。

峰回路转

大约十年前,光谱学实验和散射实验似乎都得到了质子半径为0.8768飞米的结论(1飞米=10^-15米)。

但是在2010年,光谱学的新发展使这种看似优雅的共识产生了不确定性。在瑞士维利根的保罗谢勒研究所(psi, paul scherrer institute),物理学家们通过将电子替换为μ介子,制造出了奇异的氢原子。μ介子是一种类似于电子的基本粒子,但质量大约是电子的200倍。由于μ介子在质子内部运行的时间更长,因此它们的能级受到质子的影响比电子大得多。这意味着用μ介子测量得到的质子半径应该比使用普通氢原子的测量结果精确几百万倍。该团队使用这一新方法测得的质子半径为0.84184飞米3。

randolf pohl领导了此次μ介子氢原子测量实验,目前就职于德国约翰内斯·古腾堡大学。他与其他μ介子实验组合作重复验证了这一数据。有一阵子,研究人员认为这两种质子半径数据的差别揭示了电子和μ介子具有尚且未知的行为差异,这可能会推翻已有的解释电磁现象的量子理论。

然而,最近经过改进后的光谱学实验采用普通氢原子也发现了更小的质子半径,这表明μ介子也不是那么特别。一场物理学革命似乎是黄粱一梦。这些努力最终化为了一篇发表于《科学》杂志的论文2。在花费了八年时间完善光谱技术之后,这篇论文的实验团队得到了0.833飞米的质子半径,与μ介子实验结果大概一致。

但是,在巴黎索邦大学进行的更为传统的光谱学实验仍然与这一结果相左4。之前,没有人能解释为什么散射技术会测出更大的质子。现在,在散射实验中研究人员第一次测出了一个较小的质子半径。

精益求精

最新的“prad”实验使用了一台位于托马斯·杰斐逊国家加速器装置(thomas jefferson national accelerator facility)的加速器。在prad实验中,实验人员向氢分子发射一束电子,并测量部分电子的运动方向是如何偏转的。先前的散射实验使用了高能电子束(然而这种电子束对质子半径的敏感性有限),然后将实验数据外推到较低的电子能量来确定质子半径。这意味着他们必须做一些可能歪曲最终结果的理论假设。但是prad实验中使用的较低能量电子束可以绕过该问题。

为了进一步提高精度,prad实验将氢分子直接注入要通过电子束的真空管中,而不是像许多先前的实验一样将氢分子保留在金属容器里。这意味着没有电子会撞击金属并干扰测量结果。此外,研究小组同时测量了电子束如何既散射氢原子当中的质子,又散射氢原子当中的电子。分辨这两种类型的散射事件意味着研究人员可以消除另一个主要的误差源,也即氢原子密度的波动。pohl盛赞这种技术“非常高明”。

prad项目的发言人、北卡农工州立大学的粒子和核物理学家ashot gasparian认为,他仍可以继续改进实验以进一步提高精度。

但是,领导了较早的散射测量并测出较大质子半径的麻省理工学院物理学家jan bernauer并不完全认同prad实验的结果,他说:“我认为这个谜题尚未完全解决,但我们的确取得了一些重大进展。”他认为正在进行的几个实验(包括psi的一项实验)可能会彻底解决这一谜题。

理论物理家们一直在疯狂地提出各种理论来解释异常的μ介子,因此,最近重要的实验结论将使许多物理学家感到忧郁。pohl说:“我不认为质子半径的测量差异来自于某些新物理。”但是,他补充说,旨在将精度再提高一个数量级的实验仍有可能会发现与现有理论之间的微小偏差。“这些理论不会仅仅因为不同实验测量结果一致而变得一文不值。”

参考文献:

1.xiong, w. et al. nature 575, 147–150 (2019).

2.bezginov, n. et al. science 365, 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为标题发表在2019年11月07日的《自然》新闻上

© nature

nature|doi:10.1038/d41586-019-03432-4

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