英國研究人員精確測量出質子半徑 困擾學界十年難題邁出關鍵一步

據物理學家組織網近日報道，英國研究人員精確測量出了質子半徑：0.833飛米(1米等于1千萬億(10^15)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年科學家首次使用緲介子氫來確定質子大小。當時，他們研究了一種奇特的原子——其中電子被一個緲介子(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于電子的新測量方法，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蕩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于緲介子的測量，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，我們終于做到了。”