物理學(xué)家合作解決質(zhì)子半徑問題

十年前，幾乎任何核物理學(xué)家都可以告訴你質(zhì)子的大致尺寸。但是在2010年，原子物理學(xué)家推出了一種承諾更精確測(cè)量的新方法。新數(shù)量比預(yù)期短4%，引發(fā)了核和原子物理界的爭(zhēng)奪，以確定這種不一致的結(jié)果是由于新的物理因素還是從實(shí)驗(yàn)中提取數(shù)量的問題。

現(xiàn)在，四位核物理學(xué)家，兩位實(shí)驗(yàn)家和兩位理論家認(rèn)為他們已經(jīng)利用實(shí)驗(yàn)核物理數(shù)據(jù)和先進(jìn)的物理模型解決了這種差異，以獲得質(zhì)子大小的新值。結(jié)果發(fā)表于4月的Physical Review C.

把標(biāo)尺帶到質(zhì)子上

所有方法都同意的一點(diǎn)是質(zhì)子很小。測(cè)量核粒子中電荷分布大小的質(zhì)子的電荷半徑略小于飛秒計(jì)，單個(gè)飛秒計(jì)記錄的電壓為千分之一千分之一。

換句話說，如果你拿一根米棒并將它的長(zhǎng)度分成十億個(gè)相等的碎片，然后只取一個(gè)這樣的碎片并將其長(zhǎng)度分成另外一百萬個(gè)，這些百萬個(gè)碎片中的每一個(gè)的長(zhǎng)度將是一個(gè)飛秒計(jì)。

因?yàn)樗?，所以不能直接測(cè)量質(zhì)子的電荷半徑。相反，核物理學(xué)家和原子物理學(xué)家使用復(fù)雜的方法來確定質(zhì)子大小。

“基本上，它是關(guān)于質(zhì)子與電磁場(chǎng)的相互作用，這是所謂質(zhì)子的電磁結(jié)構(gòu)或質(zhì)子的形狀因子的一部分，”能源部托馬斯·杰斐遜國(guó)家公司的科學(xué)家克里斯蒂安·韋斯解釋說。理論和計(jì)算物理中心的加速器設(shè)施。“你所測(cè)量的是質(zhì)子電荷空間分布的大小。”

兩個(gè)公司，三個(gè)人群

大約30年前，核和原子物理學(xué)家提出了兩種不同的方法來確定這種電荷半徑。

核物理學(xué)家通過電子散射進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中電子向質(zhì)子投擲，質(zhì)子的電荷半徑由電子從質(zhì)子反彈后的路徑變化決定。

“在某種意義上，電子從那么輕柔地散開了那個(gè)質(zhì)子，”韋斯說。

原子物理學(xué)家也使用電子來測(cè)量質(zhì)子的半徑。他們使用光譜學(xué)觀察電子在繞核小核運(yùn)動(dòng)時(shí)的能級(jí)，例如氫(帶有一個(gè)質(zhì)子)或氘(帶質(zhì)子和中子)。

使用這兩種不同的方法，確定了大約0.88飛秒的半徑作為世界值。

然后，在2010年，一個(gè)原子物理研究小組發(fā)表了令人震驚的消息。在對(duì)原子物理學(xué)方法的一種扭曲中，研究小組測(cè)量了實(shí)驗(yàn)室制造的氫原子周圍軌道中電子的能級(jí)，這些氫原子用μ子取代了軌道電子。雖然μ子是與電子相同的粒子類，但它具有電子質(zhì)量的200倍，因此軌道離質(zhì)子更近。這種接近意味著質(zhì)子的電荷半徑對(duì)其軌道有更大的影響。

新的，更精確的方法產(chǎn)生了0.84飛秒的測(cè)量值，或比世界值小約4%。

新的結(jié)果引發(fā)了大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為已經(jīng)解決的價(jià)值活動(dòng)的狂熱。計(jì)劃進(jìn)一步的電子散射實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行額外的氫和聲子氫光譜測(cè)量，并重新檢查原子和核理論的線索。

物理學(xué)家對(duì)峙

在杰斐遜實(shí)驗(yàn)室，新的努力激發(fā)了對(duì)用于建立世界價(jià)值的實(shí)驗(yàn)的回顧和核理論的回顧，以便更精確地檢查數(shù)據(jù)或預(yù)測(cè)結(jié)果的價(jià)值。一個(gè)由四名核物理學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)聚集在一起研究Physical Review C出版物背后的科學(xué)。

他們首先解決了實(shí)驗(yàn)核物理學(xué)家關(guān)于電子散射數(shù)據(jù)的一個(gè)問題：如何從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲得質(zhì)子半徑的數(shù)量。

“從這些電子散射數(shù)據(jù)中提取質(zhì)子的半徑一直存在挑戰(zhàn)，因?yàn)閷?shí)際的散射實(shí)驗(yàn)需要從質(zhì)子中進(jìn)行一些有限的動(dòng)量轉(zhuǎn)移，”Weiss解釋說。“你感興趣的數(shù)字是質(zhì)子在零動(dòng)量轉(zhuǎn)移時(shí)的反應(yīng)，所以這是不能直接獲取的東西。”

相反，核物理學(xué)家分析他們從最低動(dòng)量轉(zhuǎn)移的實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)，然后使用一個(gè)程序推斷為零。然而，關(guān)于動(dòng)量轉(zhuǎn)移仍然相關(guān)以及應(yīng)該如何進(jìn)行推斷的問題仍然存在爭(zhēng)議。

該團(tuán)隊(duì)的兩名成員是實(shí)驗(yàn)主義者：杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Douglas Higinbotham和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究員葉志紅。他們通過考慮各種動(dòng)量轉(zhuǎn)移的預(yù)分析世界數(shù)據(jù)，解決了挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)方面。

他們不是從數(shù)據(jù)中推斷得到一個(gè)值，而是在整個(gè)測(cè)量動(dòng)量轉(zhuǎn)移范圍內(nèi)繪制數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮到質(zhì)子的電荷半徑可以是許多可能值中的任何一個(gè)。

“我們只是在我們的擬合中修正半徑，并且對(duì)于每個(gè)合理的半徑值重復(fù)分析很多次，”Higinbotham說。“然后去找理論家并要求他們?yōu)檫@些半徑生成理論曲線，這樣我們就可以比較并看看是否有協(xié)議。”

這個(gè)由四人組成的團(tuán)隊(duì)的另外兩名成員是理論家：Weiss和JoséManuelAlarcón，他是馬德里康普頓斯大學(xué)的研究教授。他們共同努力收緊用于分析問題的理論方法。

“我們使用一種稱為有效場(chǎng)理論的特殊理論方法來建立質(zhì)子結(jié)構(gòu)的模型，以了解它在低動(dòng)量傳遞時(shí)如何響應(yīng)電磁散射，”Weiss解釋說。“該理論將質(zhì)子的相關(guān)結(jié)構(gòu)濃縮為幾個(gè)數(shù)字。它允許您預(yù)測(cè)質(zhì)子在有限動(dòng)量轉(zhuǎn)移時(shí)對(duì)電子散射的響應(yīng)，以及它與您想要提取的電荷半徑的關(guān)系。”

當(dāng)實(shí)驗(yàn)主義者和理論家們比較他們的工作時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)它收斂于質(zhì)子半徑的新值，如動(dòng)畫中所示。

“絕對(duì)美麗和引人注目的是，當(dāng)你看到是否存在全局?jǐn)M合和理論計(jì)算一致的半徑時(shí)，有一個(gè)。這是.845飛秒，”Higinbotham說。“這與muonic半徑結(jié)果奇怪地一致，而不是之前的許多電子散射提取結(jié)果。”

新物理學(xué)的窗口

解決這種差異的任務(wù)不是空閑的好奇心 - 這個(gè)數(shù)量的價(jià)值具有深遠(yuǎn)的影響。例如，更精確的結(jié)果可能揭示核和粒子物理學(xué)的未知領(lǐng)域。

“它可以成為新物理學(xué)的窗口。如果我們無法調(diào)和質(zhì)子半徑的不同測(cè)量值，也許是因?yàn)槲覀兝斫獾男挛锢韺W(xué)是我們不理解的，或者我們理論上沒有。這就是原因之一為什么這個(gè)質(zhì)子半徑如此重要，“Alarcón解釋道。

當(dāng)被問及他們是否認(rèn)為這是這個(gè)數(shù)量的最終決定時(shí)，所有四位研究人員都表示反對(duì)。

“科學(xué)是一個(gè)不斷完善思想和方法的過程，其中我們目前的理解只是我們進(jìn)行更準(zhǔn)確的理論和實(shí)驗(yàn)的一個(gè)階段，”韋斯說。

目前，他們指出了幾項(xiàng)最近的實(shí)驗(yàn)研究，這些實(shí)驗(yàn)研究使用更新的技術(shù)來測(cè)量更高精度的值，包括2016年在杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)廳B中進(jìn)行電子散射數(shù)據(jù)的PRad實(shí)驗(yàn)。它以其目標(biāo)命名：永遠(yuǎn)- 更精確地測(cè)量質(zhì)子的半徑。

“PRad的結(jié)果將在今年結(jié)束?？纯葱陆Y(jié)果是否能證實(shí)我們的科學(xué)分析將會(huì)很有趣，”Ye說。