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困扰物理学界十年难题终获解,再次得到验证

来源:http://www.fushunboy.com 作者:新葡萄京娱乐场手机版 时间:2019-11-21 20:47

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3年前,物理学界爆出一条令科学家困惑至今的初步研究结果:在一种奇异的氢原子中测得的质子大小(确切地说,是它的电荷半径),明显比此前在普通氢原子或者电子-质子散射实验中测得的结果要小。那种奇异的氢原子被称为μ氢,原子核外的电子被一个带负电荷的μ子所取代。如今,同一个研究组所作的最新测量,不仅证实了质子的电荷半径数据,还通过μ氢激光光谱实验首次测出了质子的磁荷半径。这一结果发表在2013年1月25日出版的《科学》杂志上。

9月9日,据物理学家组织网报道,英国研究人员精确测量出了质子半径:0.833飞米,向解决过去10年来一直困扰物理学家的质子半径之谜迈出了关键一步。解决这一谜团对理解物理定律意义重大,比如描述光和物质如何相互作用的量子电动力学理论。

在探索物理学基本定律方面,氢原子扮演着关键角色。它的原子核由单个携带正电荷的质子构成,外围则是一个携带负电荷的电子,是宇宙中结构最简单的原子。它的能级可以从量子电动力学理论中得到精确预言。不过,这样的理论计算必须考虑一个因素:质子不像电子那样是一个点,而是一个大小有限的“物体”,由3个夸克被所谓的“胶子”束缚在一起而构成。因此,质子的电荷及磁性都分布在一定的体积之内。质子的这一性质导致氢原子能级发生某种偏移。因此,测量这种能级的偏移,就能推导出质子的电荷半径及磁荷半径。

科学家们原以为他们知道质子的大小,但2010年,一个物理学家团队测量到质子半径比预期小4%,这让他们困惑不已。至此,研究人员就一直在努力解决这2个质子半径值不一样的难题,这也是当今基础物理学界一个重要的未解之谜。

这项研究用到的不是普通氢原子,而是μ子轰击普通氢原子后得到的μ氢。μ子的行为方式与电子很像,除了质量:μ子要比电子重200倍。因此,μ氢中的μ子要比氢原子中的电子距离原子核更近。这意味着,μ子的能级对于质子大小要敏感许多,因此能级偏转也会更加显著。

此前测量质子半径使用普通的氢,2010年科学家首次使用μ介子氢来确定质子大小。当时,他们研究了一种奇特的原子——其中电子被一个μ介子取代。2017年,科学家使用氢气测得的结果与2010年测得的结果一致;而2018年一项同样使用氢气的实验获得的结果则与2010年前的数值相当。

但是测量这种能级偏移对技术提出了超高的要求:μ氢极其短命,因为μ子会在大约2微秒(1微秒=0.000 001秒)内衰变,因此在检测到μ子之后的短短几纳秒(1纳秒=0.000 000 001秒)内,用于激发原子振荡的光脉冲就必须命中氢原子靶标。德国斯图加特大学辐射工具研究所开发的圆盘激光技术,是完成这项“不可能任务”的关键道具。

在最新研究中,约克大学科学学院的研究人员提出了一种基于电子的新测量方法,来测量质子的正电荷延伸了多远。他们利用自己开发的频偏分离振荡场技术进行了高精度测量。他们在测量中使用了一束快速氢原子束,新方法使他们能够对质子半径进行基于μ介子的测量,与2010年的测量结果相当。

2010年,对μ氢中2S能级的偏移所作的光谱测定发表在《自然》杂志上,科学家当时测得,质子电荷半径为0.84184飞米(1飞米=0.000 000 000 000 001米),比先前公认的数值(0.8768飞米)小了许多。这一结果在物理学界引发了一场持续至今的争论:标准物理学能否解释观测到的质子半径差异?

本次测量得到的质子半径为0.833飞米,不到万亿分之一毫米,比2010年前普遍认为的半径值约小5%。研究负责人、物理与天文学系的埃里克•海瑟尔斯教授说:“确定质子大小所需的精确度,让本次测量成为我们实验室尝试过的最困难的一次。经过8年研究,我们终于做到了。”

今天发表在《科学》上的文章,又为这场争论新添了一把火。“在μ氢的2S和2P能级之间存在6组允许的跃迁,”接受果壳网采访时,这篇文章的第一作者、瑞士苏黎士粒子物理研究所的Aldo Antognini博士解释说,“从每一组跃迁中,我们都能独立测定质子半径。”他们对另一组跃迁进行了独立测量,得到的最新结果是:质子电荷半径为0.84087(39)飞米——与2010年他们的测量结果相符,但精度上提高了1.7倍。

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瑞士苏黎士粒子物理研究所的Aldo Antognini博士

此外,他们还首次通过μ氢激光光谱实验测定了质子的磁荷半径为0.87(6)飞米。这个数值倒是跟此前所有实验的测量结果保持了一致。“重要的是,我们的质子(电荷)半径数值还是跟其他数值不一致,”Antognini博士对果壳网说,“这样的差异如果得到证实,就会对物理学产生冲击,因为质子半径应该是相同的,跟你如何测量它没有关系才对。”这个问题现在被称为“质子大小难题”。

世界各地的物理学家都在努力寻求破解方法。一方面,实验学家正在重新分析过去在普通氢原子或者电子-质子散射实验中所作的测量,一些人甚至已经开始重复那些实验。而在另一方面,理论学家也提出了许多方法来解释这种差异。一些科学家用标准模型以外的物理学来解释这些差异。还有一些科学家则提出,质子的结构要比现在我们认为的更加复杂,这种复杂性只在受到“沉重”的μ子影响时才会显现。

科学家也在开发新的实验来测量质子的半径,比如PSI正在尝试μ子-质子散射实验,那里的研究团队还计划在今年进行首次μ氦原子的激光光谱实验。这些新的实验将检验理论学家提出的所有可能性。

或许,质子的“缩水”会在不久的将来,打开一扇通往新物理学的大门。

信息来源:AAAS

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