質子半徑確實較小:最新研究結果解開懸宕10年的質子之謎

質子半徑確實較小:最新研究結果解開懸宕10年的質子之謎

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物理學家一直努力測定質子半徑,但相當困難,他們對於不一致的測量結果大感困惑。不過現在,加拿大多倫多約克大學發表的超精準測量結果,終於平息了這場爭議。

撰文:佛克(Dan Falk)
翻譯:甘錫安

科學講求精準。科學家測量地球到月球的距離,誤差可以小至只有幾公分,測量遙遠的波霎自轉,誤差則不到1毫秒。但測量原子時卻難以達到同樣的精準度,原子核中帶正電的質子就是一例。50多年來,物理學家一直努力測定質子半徑,但相當困難,他們對於不一致的測量結果大感困惑。不過現在,加拿大多倫多約克大學發表的超精準測量結果,終於平息了這場爭議。

質子當然非常微小,不到5000億分之一公釐,所以測量質子半徑需要非常精密的技術。方法之一是朝氫原子發射一束電子,氫原子只有一個質子,研究人員可以從電子撞擊質子後彈出的角度,判定質子半徑;另一個方法是借助光譜學,測量物體放出的輻射在各頻率上的強度。科學家激發氫原子中的電子,使它從某個能階跳到另一個能階,並仔細記錄造成躍遷的輻射頻率。從能階之間的「能隙」大小,就可得知質子半徑。

1950年代,以這兩種方法測定質子半徑得到的結果約為0.88飛米(1飛米為10-15公尺)。2010年,當時任職於德國甲慶馬克士普朗克量子光學研究所的波爾(Randolf Pohl)帶領研究人員嘗試不同的方式:採用光譜法,但實驗對象是特殊的緲子(muon)氫原子。這種原子沒有電子,而是只有一個緲子,緲子的質量大約是電子的200倍,軌域比電子更靠近質子,因此質子半徑明顯影響能階,科學家得以測量出更精準的結果。

此外,他們選擇最能直接測量質子半徑的躍遷(緲子從第一激發態跳到第二激發態)。波爾和團隊成員驚訝發現,質子半徑其實更小,是0.84飛米,遠在以往測量值的可能範圍之外。

科學家對於波爾的測量結果感到不解:先前的實驗有什麼問題?或者是質子與緲子間有什麼特殊交互作用,所以顯現了和電子不同的現象?最有趣的可能性則是:某些未知的物理原理影響了實驗結果,而這些原理可能改變現有粒子物理的標準模型。

美國國家標準與技術局(NIST)的物理學家紐威爾(David Newell)表示:「資料出現不一致時,我們都會很高興。」他主要的研究領域是測定原子物理學中另一項重要參數:普朗克常數。

英國約克大學的團隊主持人赫塞斯(Eric Hessels),在10年前參與了波爾第一次發表測量結果的研討會,並且注意到這個不一致。赫塞斯把波爾的發現視為個人挑戰,認真再現這次實驗,包含特定的能階躍遷,但他不使用緲子氫原子,而是改用一般氫原子。

1940年代物理學家藍姆(Willis Lamb)首次發現這個能階差,稱之為藍姆移位(Lamb shift)。一般氫原子中藍姆移位的精準測量結果揭露了相當有趣的事:如果它和先前較大的值相同,或許就能指出一條通往新物理的道路;如果與較小的值相同,就能確定質子半徑,解開了懸宕10年的謎團。

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Photo Credit:科學人雜誌

赫塞斯花了8年找出答案。他表示:「這項測量工作的難度超乎預期,比我們實驗室做過的其他測量都困難。」他使用射頻輻射激發氫原子,記錄使電子能量大幅提高及產生藍姆位移的精準頻率。最後,赫塞斯團隊確定質子半徑是0.833飛米(誤差在0.01飛米之內),與波爾的測量值相近,並發表於2019年9月的《科學》。

在「大科學」時代(想想大強子對撞機周長27公里的隧道),重要的實驗依然能在小型實驗室中獲得成果,這點或許讓物理學家稍微放寬心。赫塞斯的實驗裝置只佔了約克大學校園裡的一個房間。

目前還不清楚為什麼以往實驗測量的質子半徑偏大。研究人員表示,可能是實驗設計誤差,也可能是未知的物理原理影響實驗結果,但以赫塞斯的測量結果而言,這似乎不大可能。

約克大學的結果十分精準,而且相當接近2010年的測量值,所以科學界對較小的質子半徑測量值逐漸達成共識。赫塞斯表示:「現在有好幾個測量值,而且都開始趨向與緲子氫原子的測量值一致,爭議正在消失。」

但問題並未消失。儘管赫塞爾以光譜法針對一般氫原子測出了最佳結果,但緲子氫原子法的靈敏度較高,所以波爾的測量值更加精準。研究人員表示,這代表未來還有機會開發出靈敏度更高的實驗。

在此同時,質子還有其他秘密尚待揭露。美國維吉尼亞大學物理學家利亞納吉(Nilanga Liyanage)指出,我們知道質子和中子都由3個夸克構成,以強作用力結合在一起,但我們對這個結合現象的性質了解極少。

利亞納吉在美國湯瑪斯傑弗遜國家加速器設施以電子散射實驗探索質子半徑之謎,他表示:「質子是構成萬物的基礎粒子,包括我們自己和萬物在內的99.9%質量都來自質子和中子。」他進一步指出,質子半徑是十分重要的基準量,「質子是非常重要的粒子,我們一定要更加了解它。」

本文獲《科學人雜誌》、《科學人粉絲團》授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航