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原子核半径测量值存在矛盾:未知的基本作用力?

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:2

    原子核半径测量值存在矛盾:未知的基本作用力?

    【图注】为了测量氘核的大小,研究者向μ氘气体发射一束激光。

    研究人员在测量质子大小的过程中发现了奇怪的矛盾,引出了“质子半径之谜”。现在同一研究组在对一种叫氘核的粒子进行测量时也发现了相应的差异。这一发表在Science 上的新发现增加了某种微小的可能性,那就是对于原子的核心,我们的认识的确在某处出了差错,而不是简单的测量误差。

    质子,原子核中一种带正电的粒子,实际上是一个由夸克和胶子组成的绒球。所谓质子半径之谜,是指当质子被电子环绕时对其半径进行测量得到的数值总是略微大于其被μ 子环绕时的测量结果。μ子是质量为电子的207倍,其他性质与电子完全相同的粒子。打个比方,这就好像质子会在μ子在场的时候勒紧腰带。然而,根据粒子物理的主流理论,质子与μ子及电子的相互作用应该是完全一致的。自从2010年质子半径之谜诞生以来已经有数百篇文章指出,μ子在场的情况下质子大小的收缩极有可能预示着存在一种之前未知的基本作用力,此作用力存在于质子和μ子之间,而不存在于质子和电子之间。(有趣的是,这一新物理也许还能够解释测量μ子反常磁矩时一个存在已久的矛盾现象。)

    这“当然会非常棒”,德国加兴的马克思普朗克量子光学研究所的Randolf Pohl说,他领导了2010年那次实验以及这次的新研究。“但最实际的情况是,并没有新的物理。”

    残酷的现实是质子的半径极难测量,以致于很容易出现测量误差,尤其是在质子被电子环绕的情况下,也就是正常的氢原子结构。过去的几十年中许多研究组曾经尝试这样的测量,他们得到的质子半径的平均值仅略低于0.88飞米(10⁻15米)。但是 Pohl 领导的研究组致力于寻求更大的准确率,他们在1998年开始着手在“μ氢”中测量质子半径,因为 μ 子的重量使质子的大小更容易测量。12年后研究人员在 Nature 上发表了他们的结果,他们测得的质子半径比过去利用普通氢原子做的任何测量都要精确得多,但是数值只有 0.84 飞米,出奇地低于之前的平均值。

    那么问题来了,难道所有使用正常氢原子的测量结果都恰巧偏大吗?我在2013年第一次联系了 Pohl,这一年他和他的同事在 Science上发表了当时最新的μ氢的测量结果。他用电子邮件发给我一张图,揭示了随着技术方法的改变和进步,物理常量的测量值如何发生剧烈的变动,直至收敛至正确数值。“相当有启发,不是吗?”Pohl写道。他在看待事物上一直具有前瞻性。

    原子核半径测量值存在矛盾:未知的基本作用力?

    【图注】图例说明了物理常数的测量值如何在收敛至正确数值前发生剧烈的变化。

    但是他和他的研究组仍坚持这项研究。他们很早就开始的实验也最终在2016年8月12日发表。

    这一次他们测量了氘核的半径,也就是氘原子(氢的一种同位素)的原子核半径,氘核由一个质子和一个中子组成。他们在μ氘中进行测量,而μ氘的原子核被一个μ子环绕。然后科学家们将μ氘的原子核半径的测量结果和普通的电子环绕的氘核半径进行比较,以回答这样的问题:是否存在和质子半径之谜一致的氘核半径之谜?

    他们的实验是根据以下原理来探测氘核半径的:当电子或者μ子在某个特定的能级上环绕氘核,实际上它们有很多时候都停留在氘核内部,氘核有点像太阳系,有许多空的空间。处于氘核内部的电子或μ 子所受到的吸引力会减小,这是由于此时电荷吸引来自多个方向,一部分互相抵消。所以自相矛盾的是,电子或 μ 子呆在氘核内部的时间越多,它们结合得越不牢固,电子或 μ 子越容易从氘核里跳出来。由于 μ 子的质量大得多,其比电子更紧密地围绕着氘核,因此有更大的可能出现在氘核内部。这也意味着,μ 氘中,更多的电荷被抵消;这种由于氘核结构引起的更多的电荷抵消使得μ 子成为测量核半径的更精确的探针。

    为了准确测量氘核半径,研究人员向μ 氘气体发射了一束激光,使 μ 子跃迁到更高的能级,此时μ子的波函数和原子核的电荷分布没有重叠。Pohl 的研究团队能够精确地测出 μ 子跃迁所需的能量,反映了当 μ 子部分地处于氘核内部时,它们如何微弱地捆绑在一起。正是从这点出发,他们能够搞清楚“氘核的内部”的分界线在哪里,而这就是氘核的半径。

    当Pohl 和同事进行实验时,他们发现 μ 氘的原子核半径比用电子氘测量出的平均值更小,就像质子半径之谜中的差异一样。如果这两个效应都来自于同一种新的作用力,那么就像研究人员预料的那样,大小的测量值差别随着质子到氘核逐步增大。“所以目前存在两个矛盾,而且两者是完全独立的,”除了它们是由同一个研究组测量的,Pohl说道。

    然而,Pohl 仍然对“半径之谜”证明了存在新的基本物理原理这一说法高度怀疑。

    他个人的猜测是,物理学家们错误地测量了Rydberg 常数,此数值是在计算原子能级差时引入的一个因子。虽然 Rydberg 常数被认为是最精确测量的常数之一,但一点微小的误差就能够引起质子和氘核半径之谜。

    为了检测这种可能性,多伦多的物理学家正在尝试一种可以避开Rydberg 常数的方法来测量质子半径。另一些实验研究正在努力检验其他各种可能的假说。Pohl的团队目前正深入研究 μ 氦,由于氦原子具有两个质子,所以如果真的存在新的基本作用力,其效应将会在该系统中加强。

    作者 Natalie Wolchover

    翻译 陈肖

    审校 赵迪 谭坤

    原文链接:https://www.quantamagazine.org/20160811-new-measurement-deepens-proton-radius-puzzle/

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