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精准测量表明质子又“瘦了”

  美国科学家在最新一期《自然》杂志撰文称,他们借助一种电子散射新方法,对质子半径进行了极为精确的测量,得到新值0.831飞米,小于此前其他电子散射方法测得的0.88飞米,且新值与科学家最近通过μ介子原子光谱法测得的结果相吻合。

  据物理学家组织网6日报道,最新实验由PRad协作组在美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器实验室内进行,该实验发言人阿肖特·加斯帕里安说:“最新结果对解决所谓的‘质子半径’难题至关重要。”

  质子由3个夸克组成,位于原子的心脏地带。尽管其无所不在,但仍身负诸多秘密,目前有大量实验旨在揭示其“庐山真面目”,其中包括测得其精确的大小。

  2010年之前,质子半径最精确测量来自两种不同的实验方法:电子散射实验和原子光谱测量,这两种方法得出的质子半径约0.88飞米(1飞米=10-15米)。但在2010年,有科学家宣布,他们借助一种新方法——用电子较重的“表兄弟”μ介子取代电子制造出人造氢原子,然后测量该氢原子的光谱,推断出质子半径为0.84飞米。

  这种不一致就是加斯帕里安所谓的“质子半径”难题,这也是当今物理学界一个重要的未解之谜。有鉴于此,2012年,由加斯帕里安领导的协作组,希望对电子散射方法进行改进,从而对质子的电荷半径进行更精确测量。

  在最新实验中,他们研发了3种新技术来改进电子散射方法测量质子半径,大大提高了实验精度。他们表示,由于采用新方法,得到的结果非常独特。他们也期待与新光谱得到的值以及全球正在进行的电子和μ轻子散射测量结果做个比较。

  PRad合作组联合发言人高海燕称,他们计划接下来使用新实验方法更精确测量氘核和氘核的半径,“我们很有可能将测量精度提高两倍甚至更多”。

  总编辑圈点

  质子被发现已逾百年,很长时间以来,科学家都以为他们知道质子的大小,但2010年后他们又困惑了——质子半径不一样的难题,迄今未解。这种争议,本质上也是一种进步,因为只有更先进的测量,才能发现质子其实并没有一个清晰的物理边界,它与我们在宏观世界中看到的那些球体都不同。但解决这一难题,却对理解物理定律意义重大,因为我们可以更好地描述光和物质如何相互作用,并完善量子电动力学理论。

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