@ 2019.09.15 , 12:00

质子到底有多大?

根据一项耗时八年的物理实验的结果,质子可能没有我们想象的那么大。科学家们表示,我们此前对质子大小的测量误差高达5%。这听起来似乎不是一个巨大的修正,但对物理学家来说,质子缩小的谜团多年来一直困扰着他们。

一种新的测量粒子的方法使人们对先前的发现产生了怀疑,根据加拿大一个研究小组的最新数据,质子的半径大约为0.833费米;与2010年一个具有里程碑意义的实验计算出的0.842费米相差一点。得出这个结果也不是一件容易的事情,要混合多个实验中的方法来一劳永逸地确定哪个最有可能是正确的。约克大学的物理学家埃里克·赫塞尔斯表示:“测定质子大小所需的精确度使这成为我们实验室有史以来尝试过的最困难的测量方法。”

真正的质子并不是教科书中那个光滑的小球体,由于缺乏明显的表面,质子只是由其正电荷的阈值所界定的云团。要确定这个边界的范围,可以使用以下两种方法之一。

一种是向氢原子的原子核发射带负电荷的粒子,并追踪它们是如何反弹的。只要你发射了足够多的电子,你就能够追踪到一个图案,告诉你质子的正电荷在哪里开始消失。这种方法已经使用了多年,实验得到的数值通常徘徊在0.88费米左右。

第二种方法稍微不那么具有攻击性,它依赖于探测电子在围绕一个质子运转时能级的变化。用更专业的术语来说,这种测量方法是基于量子力学的奇怪模糊性,这表明粒子并不总是有一个明确的位置。这意味着电子偶尔会发现自己处于质子的死亡中心,在各个方向上受到同样的拉力。

大约70年前,诺贝尔奖获得者沃利斯·兰姆首次量化了激发态电子偶尔发现自己处于质子中时的能量状态差异,这种方法至今仍是估算质子半径的一种便捷方法。大多数基于所谓的“兰姆位移”的测量结果都或多或少地相互一致,因此在2014年,科学和技术数据委员会官方将质子半径定为0.875费米。不过,“大多数”并不意味着“全部”。2010年那个讨厌的实验得出了不同的结果,从那以后物理学家一直被其困扰。

通过将一个电子与μ介子进行交换,氢轨道上带负电荷的粒子将花费更多的时间浸泡在质子内部,从而增加了测量质子半径的精度。在2010年的实验中,这种奇特形式的兰姆位移表明,质子的半径比官方数据整整少了4%。不幸的是,这种方法的灵敏度太高,无法马上排除。从那时起,使用μ介子的反复实验得到了类似的结果。

在这样的背景下,赫塞尔斯和他的团队用传统的电子再次执行经典的兰姆位移法。不过,这一次,他们使用了一种相对较新的技术,被称为频率偏移分离振荡场。这种方法使他们能够在没有μ介子的情况下,用μ介子方法的超高精度进行实验。他们的结果比2010年的结果稍微小一点,但仍然有足够的一致性。

赫塞尔斯表示:“经过八年的实验工作,我们很高兴能够记录下如此高精度的测量结果,这有助于解决难以捉摸的质子半径之谜。” 。这一次所得到的结果背后没有新的物理学原理,因此这确实意味着我们很快就能就质子的半径达成一致。

sciencealert


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