物理学没有“崩溃”!我们快要解开质子半径之谜了

科学
物理学没有“崩溃”!我们快要解开质子半径之谜了
麻省理工科技评论 2019-09-07

2019-09-07

近日,一项新的测量方法证实了 2010 年的发现:质子比之前认为的要小。
质子 科学
近日,一项新的测量方法证实了 2010 年的发现:质子比之前认为的要小。

近日,一项新的测量方法证实了 2010 年的发现:质子比之前认为的要小。

2013 年用量子显微镜拍摄的氢原子电子轨道图。近十年来,物理学家们一直试图用氢原子来解决在质子半径上的相互矛盾的实验结果。

物理学没有“崩溃”!我们快要解开质子半径之谜了

图|氢原子电子轨道图(来源:APS/Alan Stonebraker)

多伦多约克大学的物理学家们在过去 8 年里精心进行了一项敏感的实验,用来测量质子的电荷半径,希望能解决过去10 年里进行的几次类似实验得出的相互矛盾的数值难题。这个难题被称为“质子半径之谜”。近日,发表在 Science 杂志上的一篇新论文证实了 2010 年的一项发现,即质子比科学家此前认为的要小得多。

大多数关于原子结构的讨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,但它还给了我们一个更精确(也更奇怪)的描述。电子并不是绕着原子核转。

从技术上讲,它们是一种波,只是当我们做实验来确定其位置时,它们具有粒子的性质。当电子绕原子轨道运行时,它们以粒子和波的状态叠加的形式存在,波函数同时包含其位置的所有概率。测量会使波函数塌缩,从而得到电子的位置。做一系列这样的测量,并绘制出不同的位置,它将产生模糊的轨道轨迹。

量子物理的奇异性也延伸到了质子。从技术上讲,质子是由三个带电夸克组成的,它们被强大的核力束缚在一起。但它的边界是模糊的,就像一朵云。我们怎么讨论云的半径呢?物理学家依靠电荷密度来做到这一点,类似于云中的水分子密度。质子半径是电荷密度降到一定能量阈值以下的边界到核心的距离。可以通过研究电子与质子之间的相互作用和电子散射实验,或者利用电子或介子光谱学来观察原子能级之间的差异,来测量质子半径。这被称为“Lamb 转移( Lamb shift)”,以诺贝尔奖得主 Wallis Lamb 的名字命名,她于 1947 年首次测量了这种转移。电子和质子的混合模糊性意味着电子可以在该区域的任何地方,包括质子内部。

氢原子是最简单的原子,它只有一个质子和一个环绕的电子,所以它就成了物理学家在实验中用来测量质子电荷半径的典型方法。在很长一段时间内,科学家普遍接受的值是 0.876飞米(1x10^-15m),这是世界上许多不同测量值的“平均值”,而且已经考虑了足够的误差条件。

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图| Eric Hessels(来源:York University)

早在 2010 年,介子光谱测量就首次挑战了这个问题。在他们的实验中,马克斯普朗克量子光学研究所(Max Planck Institute of Quantum Optics)的物理学家们使用了介子氢,用一个介子取代了绕原子核旋转的电子。由于它比电子重近 200倍,所以它的轨道要小得多,因此它在质子内部的概率要高得多( 1000 万倍)。由于它离质子更近,这使得这种测量技术的灵敏度提高了一千万倍。

这支物理学家团队只是希望他们测量到的质子半径与之前的实验大致相同,而确定性更高。理论上,电子和介子之间应该没有区别(除了质量和寿命)。然而,他们测量的质子半径明显小于 0.841 飞米,比它还小 0.00000000000003 毫米,远远超出了之前建立的误差。它与用其他测量方法得到的值相差五个标准差。

“这当然为较小的尺寸才是正确的提供了相当充分的理由。”

Pohl 等人花了数年时间反复检查他们的数据,因此,如果这是一个实验错误,或者量子电动力学的基础理论( QED,描述光如何与物质相互作用)不知何故被误用了,这都将是一个严重的错误。理论家们就需要考虑是否对量子电动力学进行调整,以考虑介子性质可能存在的细微差异。最令人兴奋的可能性是:这可能是超越了物理学标准模型的新物理学的线索。这一直是最不可能的结果,在接下来的十年里,这种可能性变得更小了。

随后各小组的测量结果都不能确定较大或较小的值是否正确。例如,2013 年,同一个国际团队进行了基于介子的实验,验证了他们 2010 年的值,测量出质子半径为 0.84 飞米,误差为 7 西格玛。2016 年的另一项实验涉及在氘原子(氢的较重同位素,它有一个质子、一个中子和一个电子)中用介子取代电子。当时的想法是,中子的存在将改变电子和介子感知质子电荷的方式。这也符合 2010 年的结果。

然而,使用常规氢原子来测量质子半径的两个实验得出了好坏参半的结果:Theodor Hansch的团队(团队里有Pohl) 2017 年的一项研究也证实了 2010 年的结果,而 2018 年的一项测量则与 2010 年之前的较大值一致。因此,约克大学的科学家们最近选择了一种基于电子的质子半径测量方法,类似于 2010 年最初的基于介子的测量方法,希望能让各种相互矛盾的结果更接近共识。

物理学没有“崩溃”!我们快要解开质子半径之谜了

图|约克大学团队的测量仪器(来源:N. Bezginov et al./Science)

虽然介子的测量需要大型粒子加速器来产生介子,但约克大学的研究小组能够进行桌面实验,当然,使用的是一个相当大的桌面,大约 4 米( 13 英尺)。他们故意做了一个盲测,确保没有任何误差,最终在论文发表前的几周证实了他们在过去八年中测量结果的价值。小组组长 Eric Hessels 说:“实验困难在于确保我们不受测量中任何可能使能量状态复杂化或改变的因素影响,这 8 年的大部分时间都花在了仔细理解测量方法的各个方面,这样我们就可以小心翼翼地消除出错的可能性。”

实验结果显示,他们测量的 0.833 飞米(略小于一米的一万亿分之一)与 2010 年的研究结果相符。这对粒子物理学标准模型来说是个好消息,而对那些希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:“因为这是一个直接的比较,所以较小的尺寸肯定是正确的尺寸。”

其他团体目前正在进行更多的实验,他预计,随着这些结果在未来几年逐渐显现出来,学界将逐渐达成共识。

Hessels 在谈到进行此类实验的动机时说:“从根本上说,我们很想了解所有的物理定律是什么,如果存在一个没人能解释的差异,就有可能永远不能理解物理定律。如果我们同意质子的半径更小,这将成为我们理解的另一个物理定律的重要模块,并允许我们使用氢原子进行其他测试:更高的精度测试量子电动力学理论,或者测试是否有其他东西超出了物理学标准模型”。


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