质子究竟有多大?新的测量结果比科学家此前以为的更小 | 昆山杜克大学

质子究竟有多大?新的测量结果比科学家此前以为的更小

2019年11月7日

据11月7日发表在《自然》期刊上的最新研究,氢原子内带正电荷的微观粒子——质子,其半径小于目前国际上普遍使用的数字,两者间的差异单位以千万亿分之一米计。

杜克大学物理学家、昆山杜克大学首任学术事务副校长高海燕博士所在的研究团队希望能够解开过去十年困扰物理学界的“质子电荷半径之谜”。他们尝试用一种新的方法更精确地测量质子的大小,结果发现质子半径数值为0.831飞米,比物理学界之前使用加速器电子所测量的最佳值小4%左右。

飞米是长度单位,常用于测量原子核级别的物质。1飞米等于0.000000000000039370 英寸(0.000000000001毫米)。最新测量的质子半径只有约0.8飞米。

高海燕博士是杜克大学三一文理学院的亨利·纽森物理学讲席教授,她认为,最新的质子电荷半径测量值对物理学界是一件大事,因为对原子能级别的任何精确计算都会受到质子大小的影响。

高海燕博士解释说,物理学家实际测量的是质子电荷分布半径,但这并不是一个光滑的球形点。质子由更小的粒子组成,即夸克。夸克带电,夸克分布不均匀;且夸克并不处于静止状态,而是一个不断移动的目标。

一种测量质子电荷半径的方法是电子散射——电子束被氢原子的原子核散射,氢原子内有一个质子和一个电子——但是电子必须非常轻微地扰动质子,这样才能让研究人员推断出参与相互作用的质子电荷分布大小。另一种方法是测量两个氢原子能级之间的差异。过去这两种不同的方法得出了非常相近的结果,因此被全世界的物理学家普遍认可。

然而在2010年,物理学家们在保罗·舍勒研究所(Paul Scherrer Institute)尝试用另一种方式来测量质子的大小,与通常采用的氢原子不同,研究人员选择μ子与质子相结合的μ氢原子,μ子比电子更重、寿命短。和电子一样,μ子同样带负电,但是它比电子重近 200倍,所以它可以在离质子更近的轨道上运行。通过测量μ氢原子能级之间的差异,研究人员获得了非常精确的质子电荷半径,比当时国际上普遍接受的数字小很多,从而引发了“质子电荷半径之谜”的争论。

为了解决这个难题,高海燕博士与团队 着手开展了全新方式的电子散射实验,进行了多项创新。他们同时观察了氢原子质子和电子的电子散射,还设法使电子束以接近零度的角度散射,这意味着它几乎是直线向前,让电子束能够更精确地“感受”质子的电荷响应。

结果出来了!最新的质子电荷半径比目前国际上普遍认为的数字小4%。“但实际上,这要复杂得多。”高海燕博士总结道。

研究人员在美国能源部位于弗吉尼亚州纽波特纽斯的托马斯·杰斐逊国家加速器中心(Thomas Jefferson National Accelerator Facility)进行了以上测量实验,使用了美国国家科学基金会和美国能源部支持所建的新设备,以及其它专为这项实验所建造的部件。高海燕博士表示:“我们需要新的方法,以解开’质子半径之谜’。”

自从得知早期电子散射实验测量给出质子电荷半径的两个不同值,高海燕博士就对这个研究问题产生了兴趣,迄今已有近20年。她表示,“当时每个实验都发表有大约1%的不确定性,但相互间的差异可以达到几个百分点。”

在现代物理学中,如果实验结果出乎意料,就可能会引发对粒子物理标准模型的部分质疑。但是,这次不会。

高海燕博士称:“出于多个原因,这次的质子电荷半径测量结果尤其重要。”质子是可见物质的基本组成部分,氢能级可以说是是所有物理学家使用的基本测量单位。

高海燕博士认为,新的测量结果也有助于推进量子色动力学(quantum chromodynamics (QCD))的发展,量子色动力学是描述夸克和胶子之间强相互作用的理论。“我们目前尚不明白量子色动力学是如何描述质子的。”

 “这是一个非常非常重要的发现,”高海燕博士表示。“物理学界对此非常兴奋。我还要补充一点,这个实验的成功离不开聪明勤奋的杜克大学博士研究生和博士后学者的巨大贡献。”