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精準測量表明質子又“瘦了”

  科技日報北京11月7日電 (記者劉霞)美國科學家在最新一期《自然》雜志撰文稱,他們借助一種電子散射新方法,對質子半徑進行了極為精確的測量,得到新值0.831飛米,小于此前其他電子散射方法測得的0.88飛米,且新值與科學家最近通過μ介子原子光譜法測得的結果相吻合。

  據物理學家組織網6日報道,最新實驗由PRad協作組在美國能源部托馬斯·杰斐遜國家加速器實驗室內進行,該實驗發言人阿肖特·加斯帕里安說:“最新結果對解決所謂的‘質子半徑’難題至關重要。”

  質子由3個夸克組成,位于原子的心臟地帶。盡管其無所不在,但仍身負諸多秘密,目前有大量實驗旨在揭示其“廬山真面目”,其中包括測得其精確的大小。

  2010年之前,質子半徑最精確測量來自兩種不同的實驗方法:電子散射實驗和原子光譜測量,這兩種方法得出的質子半徑約0.88飛米(1飛米=10-15米)。但在2010年,有科學家宣布,他們借助一種新方法——用電子較重的“表兄弟”μ介子取代電子制造出人造氫原子,然后測量該氫原子的光譜,推斷出質子半徑為0.84飛米。

  這種不一致就是加斯帕里安所謂的“質子半徑”難題,這也是當今物理學界一個重要的未解之謎。有鑒于此,2012年,由加斯帕里安領導的協作組,希望對電子散射方法進行改進,從而對質子的電荷半徑進行更精確測量。

  在最新實驗中,他們研發了3種新技術來改進電子散射方法測量質子半徑,大大提高了實驗精度。他們表示,由于采用新方法,得到的結果非常獨特。他們也期待與新光譜得到的值以及全球正在進行的電子和μ輕子散射測量結果做個比較。

  PRad合作組聯合發言人高海燕稱,他們計劃接下來使用新實驗方法更精確測量氘核和氘核的半徑,“我們很有可能將測量精度提高兩倍甚至更多”。

  總編輯圈點

  質子被發現已逾百年,很長時間以來,科學家都以為他們知道質子的大小,但2010年后他們又困惑了——質子半徑不一樣的難題,迄今未解。這種爭議,本質上也是一種進步,因為只有更先進的測量,才能發現質子其實并沒有一個清晰的物理邊界,它與我們在宏觀世界中看到的那些球體都不同。但解決這一難題,卻對理解物理定律意義重大,因為我們可以更好地描述光和物質如何相互作用,并完善量子電動力學理論。

(責編:趙竹青、呂騫)


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