英國研究人員精確測量出質(zhì)子半徑 困擾學(xué)界十年難題邁出關(guān)鍵一步

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報道，英國研究人員精確測量出了質(zhì)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(xué)家的質(zhì)子半徑之謎邁出了關(guān)鍵一步。解決這一謎團(tuán)對理解物理定律意義重大，比如描述光和物質(zhì)如何相互作用的量子電動力學(xué)理論。

科學(xué)家們原以為他們知道質(zhì)子的大小，但2010年，一個物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)測量到質(zhì)子半徑比預(yù)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(zhì)子半徑值不一樣的難題，這也是當(dāng)今基礎(chǔ)物理學(xué)界一個重要的未解之謎。

此前測量質(zhì)子半徑使用普通的氫，2010年科學(xué)家首次使用緲介子氫來確定質(zhì)子大小。當(dāng)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(xué)家使用氫氣測得的結(jié)果與2010年測得的結(jié)果一致;而2018年一項(xiàng)同樣使用氫氣的實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果則與2010年前的數(shù)值相當(dāng)。

在最新研究中，約克大學(xué)科學(xué)學(xué)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(zhì)子的正電荷延伸了多遠(yuǎn)。他們利用自己開發(fā)的頻偏分離振蕩場技術(shù)進(jìn)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(zhì)子通過分子氫氣靶產(chǎn)生)，新方法使他們能夠?qū)|(zhì)子半徑進(jìn)行基于緲介子的測量，與2010年的測量結(jié)果相當(dāng)。

本次測量得到的質(zhì)子半徑為0.833飛米，不到萬億分之一毫米，比2010年前普遍認(rèn)為的半徑值約小5%。研究負(fù)責(zé)人、物理與天文學(xué)系的埃里克·海瑟爾斯教授說：“確定質(zhì)子大小所需的精確度，讓本次測量成為我們實(shí)驗(yàn)室嘗試過的最困難的一次。經(jīng)過8年研究，我們終于做到了。”