令人困惑的質子半徑:「質子有多大」出現數據衝突

令人困惑的質子半徑:「質子有多大」出現數據衝突
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在2010年,Randolf Pohl的團隊以前所未有的精確度,測量到質子的大小,但是觀測結果卻使他們困惑了──他們測量出的質子半徑(或是更精確地說,正電荷能夠拓展到多遠)是0.84飛米,比先前所測量出的數據少了0.04飛米。

原文作者:Sophia Chen
編譯者:李廷軒

在2010年,Randolf Pohl的團隊以前所未有的精確度,測量到質子的大小,但是觀測結果卻使他們困惑了──他們測量出的質子半徑(或是更精確地說,正電荷能夠拓展到多遠)是0.84飛米(注:1 fm=10-15m),比先前所測量出的數據少了0.04飛米。如此看來,質子的寬度似乎少了4%。

「這讓所有人措手不及。」David Newell(科學技術數據委員會的主持人)說。科學技術委員會是一個國際性的團體,每四年出版一次基礎物理常數數值。

到現在,物理學家們仍然不了解這個出入的來源為何。在今年(2018年)四月的一場會議報告裡,於約翰尼斯・古騰堡-美茵茲大學(Johannes Gutenberg University Mainz)任教的Pohl,為了解決所謂的「質子半徑問題」,討論了最近幾次的實驗。

在2010年的測量之後,有些團隊提供了一些已證實的數值,而有些團隊報告了一些有衝突的數據。在2017年,Pohl的團隊使用了不同以往的設置去做測量,而測量結果也指出質子的半徑是較小的。但今年稍早,一個法國團隊報告他們所得到的結果,質子半徑是較大的。其他獨立的研究者曾經試著重新分析實驗結果,但最後都徒勞無功。例如,一個在2010年有關於Pohl實驗數據的獨立分析,認同Pohl先前的數據。「『質子半徑難題』使人越來越困惑了。」Pohl說。

與任何的謎題一樣,研究者們對於發現新物理的可能性感到非常興奮。「由理論上的觀點來看,這個些微的差異必須被嚴肅地看待,因為我們無法在現今的標準模型以下解釋它。」波蘭華沙大學(University of Warsaw in Poland)的一位理論物理學家Krzysztof Pachucki說。Pohl於2010年的里程碑測量,第一次使用了緲子氫(一個緲子繞著一個質子運轉,緲子是一種電子的近親,但比較重),而先前實驗所使用的仍然是正常的氫原子。這兩種方法之間的差異也許給了我們一點提示:量子電動力學中的一個錯誤。量子電動力學是一種研究粒子之間的交互作用的理論。

「但,我們還不明瞭這個錯誤是甚麼。」Pachucki說。我們也許可以藉由引進一種新的粒子來讓這個差異消失,「但這個選項太不實際了。」他說。

根據Pohl的說法,有可能這個差異只是實驗錯誤的結果。現在唯一的策略,就是測量質子的半徑更多次,但要使用不同的測量方法。如此一來,每一個測量之間將不會受到一樣的系統誤差,而且全部有關於新物理的想法將會更有說服力。

研究者們有許多不一樣的方法可以選擇。首先,他們必須決定要使用哪一種含有質子的樣本去做測量。一般來說,他們需要一個在理論上足夠簡單的系統,如此他們才能精準地模擬。最簡單的系統就是氫,但他們也能使用氫的同位素:氘。氫的原子核多出一顆中子,稱為氘。又或者,他們可以在這些系統裡,以緲子來代替電子。除了緲子氫,Pohl的團隊也使用過緲子氘(一個緲子繞著氘核運行,稱為緲子氘)來測量。根據Pachucki的說法,單一電子被電離的氦(He+)是個有希望的系統,因為它的理論相對起來比較好懂。「He+的理論精準度與氫一樣。」他說。

研究者們也必須選擇他們要如何測量質子的半徑。最主要的兩個方法分別是電子散射法以及光譜測量法。在電子散射實驗裡,電子被發射到氫或是氘的樣本。當電子到達樣本時,質子將使電子偏折,偏折的數量多寡與質子的大小是有關連的。

或者,他們也可以藉由光譜來精準量測系統的能階差,進而測量出質子半徑。如果他們選擇這個方法,接下來他們必須選擇他們所要研究的過渡能量(energy transition)。研究者們需要選擇許多不同的過渡能量,而且必須包含不同的設置方法以及數據分析方法。

例如在2010年,Pohl的團隊使用了光譜法:透過雷射探針,他們測量到緲子氫的能階之間有一間隙,這個間隙稱作蘭姆位移(Lamb shift)。在一開始的量子理論裡,類氫原子的兩個狀態被預測有著相同能量,但蘭姆位移說明了事實上會存在著微小差異。這種能隙存在於某一部分系統,因為電子事實上表現出像是量子「雲」一般,甚至可以拓展到原子核內部。「就文字上來講,圍繞著質子的電子,事實上有部分時間,是存在於質子內部的。」Pohl說。因為能隙是由質子大小所決定的,因此藉由測量蘭姆位移,可以得出質子半徑。

為了達到高度精準的測量,必須要完全地弄懂實驗中的每個環節。舉例來說,任何地電磁場都有可能會影響測量的精準度,而且雷射光的輸出必須完全精準。「這真是好玩的東西。」Pohl說,「你每一天都在學習未知且全新的事物。」但如此高程度的細節,也花費了Pohl的合作夥伴將近10年的時間,才得出他們於2010年的測量。

CODATA最近一次的質子半徑值,是許多先前實驗所得數據的平均,但是在計算中並不包含任何更小的數值。2014年11月在巴黎附近舉行的一場會議裡,Pohl、Pachucki 以及Newell都是與會者,決定不將這些比較小的數值納入計算。最後,Pohl建議將異常的數據排除在外。他指出,CODATA數值的應用在於研究正常的氫,而其他反常的數據源自於緲子系統。


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