质子有多小?比任何人想象的都小

根据11月7日发表在《自然》杂志上的一项新研究,原子内部带正电荷的小块质子比人们想象的要小万亿分之一米。

高海燕杜克物理

在工作他们希望解决的有争议的“质子半径难题”席卷一些角落的物理学在过去的十年中,一组科学家包括杜克大学物理学家海盐高质子的半径的问题以一种新的方式,发现它是0.831飞米宽,大约是4%比以前最好的测量用电子加速器。(看报纸!)

一个飞米是0.000000000000039370英寸的英制单位,如果这有帮助的话,或者把它想象成一米的十亿分之一的百万分之一。新的半径只有原来的80%

但是,对于物理学家来说,这是一个大的
2和非常小的
2协议,因为任何对原子能级的精确计算都会受到质子大小的测量的影响,高说,他是三一艺术学院的亨利纽森物理学教授科学。

波尔氢气模型。一个质子,一个电子,就这么简单。

物理学家们实际测量的是质子电荷分布的半径,但这绝不是一个光滑的球形点,高解释道。质子是由更小的粒子构成的,这些粒子被称为夸克,它们有自己的电荷,而且这些电荷不是均匀分布的。也没有什么是静止的。所以它是一个移动的目标。

测量质子电荷半径的一种方法是将氢原子核的电子束散射开来,氢原子核由一个质子和一个电子组成。但电子必须非常轻微地扰动质子,才能使研究人员推断出相互作用中所涉及的电荷的大小。另一种方法是测量两个氢原子能级之间的差异。这两种方法以往的结果基本一致。

粒子动物园提出了一个非常快乐的介子的概念

但在2010年,保罗·谢勒研究所(Paul Scherrer Institute)的一项实验用介子取代了氢原子中的电子,介子是电子粒子家族中更重、寿命更短的一员。介子仍然像电子一样带负电荷,但是它的质量是电子的200倍,所以它的轨道可以更靠近质子。通过测量介子氢能级之间的差异,这些物理学家得到了一个非常精确的质子电荷半径,但比之前接受的值要小得多。这引发了他们称之为“质子电荷半径之谜”的争论。

为了解决这个难题,高和她的同事们开始了一种全新的电子散射实验。他们观察了同时来自质子和氢原子的电子的电子散射。他们还成功地使电子束在接近0度的温度下散射,这意味着它几乎是笔直向前的,这使得电子束能够更精确地“感受”质子的电荷反应。

瞧,一个比它小4%的质子。“但实际上,情况要复杂得多,”高轻描淡写地说。

这项工作是在弗吉尼亚州纽波特纽斯的托马斯·杰斐逊国家能源部的国家加速器设施中完成的,使用的是由国家科学基金会和能源部共同支持的新设备,以及为这次实验专门制造的一些部件。“为了解决这个争论,我们需要一个新的方法,”高说。

高说,自从她意识到质子的电荷半径有两个不同的值以来,她已经对这个问题感兴趣近20年了,这两个值都来自电子散射实验。“每个人都声称有1%的不确定性,但他们有几个百分点的不同意,”她说。

而在现代物理学中,如果答案不是如此巧妙地计算出来,它可能会对粒子物理学的部分标准模型产生疑问。但可惜的是,这次不是。

高说:“这一点特别重要,原因有很多。质子是构成可见物质的基本单位,而氢的能级是所有物理学家所依赖的基本测量单位。

高说,新的测量方法也可能有助于推进对量子色动力学(QCD)的新认识,即夸克和胶子的强相互作用理论。“我们真的不明白QCD是如何工作的。”

“这是一件非常非常重要的事,”她说。“这个领域对此非常兴奋。我还要补充一点,如果没有杜克大学那些才华横溢、勤奋努力的研究生和博士后的英勇贡献,这个实验就不会如此成功。”

这项工作的部分资金由美国国家科学基金会(NSF MRI PHY-1229153)和美国能源部(合同号为No。DE-FG02-03ER41231),包括合同号。DE-AC05-06OR23177是由杰弗逊科学协会有限责任公司运营的托马斯杰弗逊国家加速器设施。

引用:“电子-质子散射实验的小质子电荷半径”,W. Xiong, A. Gasparian, H. Gao等人。《自然》杂志,2019年11月7日。DOI: 10.1038 / s41586 – 019 – 1721 – 2(在线)

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://researchblog.duke.edu/2019/11/06/how-small-is-a-proton-smaller-than-anyone-thought/

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