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质子半径数据更新 微观测量没有终点

2019-11-09 09:30 来源: 仪器网

发现于100年前的质子对我们来说已经不是一个陌生的名词。作为原子的组成物质之一,质子一直都是物理学前沿研究领域的重点关注对象。然而,在科学家们对质子的结构以及组成质子的基本粒子——夸克都有所了解的时候,质子的半径依然是一个未解的谜题。
虽然目前分辨率最高的显微镜只能分辨单个原子,但对研究者来说,无法直接观察不代表没有途径研究,也不表示无法测量。正如20世纪初在显微镜还无法观测原子的时候,质子的发现者卢瑟福通过加速后的α粒子撞击氮原子的方式来研究原子的内部结构一样,测量质子半径也需要利用间接的方法。一般来说,质子半径的测量方法有两种:氢光谱实验与电子散射实验。
氢光谱实验的原理是氢原子的量子迁跃。当氢原子的电子从高能量轨道跃迁到低能量轨道时会释放光子构成氢原子的光谱,此时就可以通过光谱计算氢原子的能量级,从而计算质子半径。而电子散射实验则是将电子束撞击一个质子,根据电子在接触质子后产生的散射情况计算质子的半径。
历史上物理学家利用上述两种方式分别测量了质子的半径,得到0.877飞米的近似值(1飞米=1x10^-15米),这也成为很长一段时间内质子半径的数据。然而在2010年,一项新的研究成果对这个数据提出了质疑。在法国召开的简单原子精确测量会议上,物理学家Randolf Pohl提交了他所带领的团队利用新方法测量到的数据。当传统氢光谱实验实验中的氢原子被μ子氢(以带负电的μ子代替电子的人造氢原子)取代后,质子半径的测量精度提高了10倍,最后的测量结果是0.842±0.001飞米,比之前小了4%,数值偏差很大。而同一天Randolf Pohl团队的互补小组利用电子散射实验得到的结果却仍接近传统数值。两个实验结果的差异在科学界引起轩然大波,当时没有任何证据可以证明其中一个数据出错,因此质子半径也成为物理学的未解之谜。
近十几年来,关于质子半径的测量工作一直没有停过,尝试解释“质子半径之谜”的论文也层出不穷。而今年发表的几项研究成果终于揭开了“质子半径之谜”的谜底。英国多伦多约克大学的研究团队开发出了频偏分离振荡场技术,这种新技术将测量精度进一步提高,最后得到0.833飞米的结果,与2010年μ子氢光谱实验结果相似。这意味着“质子半径之谜”的成因可能仅仅是实验误差。这项研究数据于今年9月在《科学》杂质上刊出,而两个月后,美国科学家在最新一期的《自然》杂志上也公布了他们利用新的电子散射方法测量的数据——0.831飞米,与前一项结果相吻合。
困扰了物理学家近十年的谜团终于被解开,虽然μ子与质子之间存在未知的物理相互作用的可能性被否定,但质子半径的再次确定依然是一件值得高兴的事情。然而对质子半径的研究并没有因此止步,一些研究人员正在试图进一步提高测量精度。就像显微镜对微观世界的深入不会停止,微观世界的测量也不会有终点。仪器在不断发展,技术也在不断进步,我们也许会发现现在的数值也存在很大的误差,但只有不断求索才能更接近这个世界的真理。
编辑点评:多年来,科学界在发现了质子后,始终想探索出质子的半径,但以往常用的氢光谱实验与电子散射实验所作出的结果在科技的进一步发展后,已经不能让人完全信服。近十几年来,关于质子半径的测量工作也一直在持续着。近期,英国多伦多约克大学的研究团队开发出了频偏分离振荡场技术,该技术有效解决了科研人员一直以来的谜题。未来,相信更多精尖技术会被研发出来,科学谜题也终将被全部解开。

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仪器, 电子, 轨道招标
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