質子半徑精確到0.833飛米

科技日報訊(記者劉霞)據物理學家組織網近日報導,英國研究人員精確測量出了質子半徑:0.833飛米,向解決過去10年來一直困擾物理學家的質子半徑之謎邁出了關鍵一步.解決這一謎團對理解物理定律意義重大,比如描述光和物質如何相互作用的量子電動力學理論.

科學家們原以為他們知道質子的大小,但2010年,一個物理學家團隊測量到質子半徑比預期小4%,這讓他們困惑不已.至此,研究人員就一直在努力解決這2個質子半徑值不一樣的難題,這也是當今基礎物理學界一個重要的未解之謎.

此前測量質子半徑使用普通的氫,2010年科學家首次使用μ介子氫來確定質子大小.當時,他們研究了一種奇特的原子——其中電子被一個μ介子(電子較重的“表親”)取代. 2017年,科學家使用氫氣測得的結果與2010年測得的結果一致;而2018年一項同樣使用氫氣的實驗獲得的結果則與2010年前的數值相當.

在最新研究中,約克大學科學學院的研究人員提出了一種基於電子的新測量方法,來測量質子的正電荷延伸了多遠.他們利用自己開發的頻偏分離振盪場技術進行了高精度測量.他們在測量中使用了一束快速氫原子束(由質子通過分子氫氣靶產生),新方法使他們能夠對質子半徑進行基於μ介子的測量,與2010年的測量結果相當.

本次測量得到的質子半徑為0.833飛米,不到萬億分之一毫米,比2010年前普遍認為的半徑值約小5%.研究負責人、物理與天文學系的埃里克·海瑟爾斯教授說:“確定質子大小所需的精確度,讓本次測量成為我們實驗室嘗試過的最困難的一次.經過8年研究,我們終於做到了.”

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