物理学没有崩溃我们快要解开质子半径之谜了

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放大字体  缩小字体 2019-09-07 作者:责任编辑NO。郑子龙0371

近来,一项新的丈量办法证明了 2010 年的发现:质子比之前以为的要小。2013 年用量子显微镜拍照的氢原子电子轨迹图。近十年来,...

近来,一项新的丈量办法证明了 2010 年的发现:质子比之前以为的要小。

2013 年用量子显微镜拍照的氢原子电子轨迹图。近十年来,物理学家们一向试图用氢原子来处理在质子半径上的彼此对立的试验成果。

图|氢原子电子轨迹图(来历:APS/Alan Stonebraker)

多伦多约克大学的物理学家们在曩昔 8 年里精心进行了一项灵敏的试验,用来丈量质子的电荷半径,期望能处理曩昔10 年里进行的几回相似试验得出的彼此对立的数值难题。这个难题被称为“质子半径之谜”近来,宣布在Science杂志上的一篇新论文证明了 2010 年的一项发现,即质子比科学家此前以为的要小得多。

大多数关于原子结构的评论都依赖于备受诟病的玻尔模型,该模型中电子绕原子核作圆周运动。可以说,量子力学是物理学的敲门砖,但它还给了咱们一个更准确(也更古怪)的描绘。电子并不是绕着原子核转。

从技能上讲,它们是一种波,仅仅当咱们做试验来确认其方位时,它们具有粒子的性质。当电子绕原子轨迹运行时,它们以粒子和波的状况叠加的方法存在,波函数一起包含其方位的一切概率。丈量会使波函数塌缩,然后得到电子的方位。做一系列这样的丈量,并制作出不同的方位,它将发生含糊的轨迹轨迹。

量子物理的奇异性也延伸到了质子。从技能上讲,质子是由三个带电夸克组成的,它们被强壮的核力捆绑在一起。但它的鸿沟是含糊的,就像一朵云。咱们怎样评论云的半径呢?物理学家依托电荷密度来做到这一点,相似于云中的水分子密度。质子半径是电荷密度降到必定能量阈值以下的鸿沟到中心的间隔。可以经过研讨电子与质子之间的彼此作用和电子散射试验,或许运用电子或介子光谱学来调查原子能级之间的差异,来丈量质子半径。这被称为“Lamb 搬运( Lamb shift)”,以诺贝尔奖得主 Wallis Lamb 的姓名命名,她于 1947 年初次丈量了这种搬运。电子和质子的混合含糊性意味着电子可以在该区域的任何地方,包含质子内部。

氢原子是最简略的原子,它只要一个质子和一个盘绕的电子,所以它就成了物理学家在试验顶用来丈量质子电荷半径的典型办法。在很长一段时刻内,科学家遍及承受的值是 0.876飞米(1x10^-15m),这是世界上许多不同丈量值的“平均值”,并且现已考虑了满足的差错条件。

图| Eric Hessels(来历:York University)

早在 2010 年,介子光谱丈量就初次挑战了这个问题。在他们的试验中,马克斯普朗克量子光学研讨所(Max Planck Institute of Quantum Optics)的物理学家们运用了介子氢,用一个介子替代了绕原子核旋转的电子。由于它比电子重近 200倍,所以它的轨迹要小得多,因而它在质子内部的概率要高得多( 1000 万倍)。由于它离质子更近,这使得这种丈量技能的灵敏度提高了一千万倍。

这支物理学家团队仅仅期望他们丈量到的质子半径与之前的试验大致相同,而确认性更高。理论上,电子和介子之间应该没有差异(除了质量和寿数)。但是,他们丈量的质子半径显着小于 0.841 飞米,比它还小 0.00000000000003 毫米,远远超出了之前树立的差错。它与用其他丈量办法得到的值相差五个规范差。

“这当然为较小的尺度才是正确的供给了适当充沛的理由。”

Pohl 等人花了数年时刻重复查看他们的数据,因而,假如这是一个试验过错,或许量子电动力学的基础理论( QED,描绘光怎么与物质彼此作用)不知何以被误用了,这都将是一个严峻的过错。理论家们就需求考虑是否对量子电动力学进行调整,以考虑介子性质或许存在的纤细差异。最令人兴奋的或许性是:这或许是逾越了物理学规范模型的新物理学的头绪。这一向是最不或许的成果,在接下来的十年里,这种或许性变得更小了。

随后各小组的丈量成果都不能确认较大或较小的值是否正确。例如,2013 年,同一个世界团队进行了根据介子的试验,验证了他们 2010 年的值,丈量出质子半径为 0.84 飞米,差错为 7 西格玛。2016 年的另一项试验触及在氘原子(氢的较重同位素,它有一个质子、一个中子和一个电子)顶用介子替代电子。其时的主意是,中子的存在将改动电子和介子感知质子电荷的方法。这也契合 2010 年的成果。

但是,运用惯例氢原子来丈量质子半径的两个试验得出了好坏参半的成果:Theodor Hansch的团队(团队里有Pohl) 2017 年的一项研讨也证明了 2010 年的成果,而 2018 年的一项丈量则与 2010 年之前的较大值共同。因而,约克大学的科学家们最近挑选了一种根据电子的质子半径丈量办法,相似于 2010 年开始的根据介子的丈量办法,期望能让各种彼此对立的成果更挨近一致。

图|约克大学团队的丈量仪器(来历:N. Bezginov et al./Science)

尽管介子的丈量需求大型粒子加速器来发生介子,但约克大学的研讨小组可以进行桌面试验,当然,运用的是一个适当大的桌面,大约 4 米( 13 英尺)。他们成心做了一个盲测,保证没有任何差错,终究在论文宣布前的几周证明了他们在曩昔八年中丈量成果的价值。小组组长 Eric Hessels 说:“试验困难在于保证咱们不受丈量中任何或许使能量状况复杂化或改动的要素影响,这 8 年的大部分时刻都花在了细心了解丈量办法的各个方面,这样咱们就可以小心谨慎地消除犯错的或许性。”

试验成果显现,他们丈量的 0.833 飞米(略小于一米的一万亿分之一)与 2010 年的研讨成果相符。这对粒子物理学规范模型来说是个好消息,而对那些期望看到一些令人兴奋的新物理学的人来说是个坏消息。Hessels 说:“由于这是一个直接的比较,所以较小的尺度肯定是正确的尺度。”

其他集体现在正在进行更多的试验,他估计,跟着这些成果在未来几年逐步显现出来,学界将逐步达到一致。

Hessels 在谈到进行此类试验的动机时说:“从根本上说,咱们很想了解一切的物理规律是什么,假如存在一个没人能解说的差异,就有或许永久不能了解物理规律。假如咱们赞同质子的半径更小,这将成为咱们了解的另一个物理规律的重要模块,并答应咱们运用氢原子进行其他测验:更高的精度测验量子电动力学理论,或许测验是否有其他东西超出了物理学规范模型”。

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