《自然》:质子半径可能比以前认为的要小4%

2010-7-09 17:04 来源: 科技日报
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  据美国物理学家组织网7月8日(北京时间)报道,科学家在最新出版的《自然》(Nature)杂志指出,质子的半径比以前认为的要小4%。如果这个结论在未来进一步获得证实,那意味着,要么阐释光和物质相互作用的量子电动力学理论本身有问题,要么许多基于现有质子大小计算所使用的里德伯常量(原子物理学中的基本物理常量之一,为一经验常数)是错误的。不管是何种情况,都意味着我们需要重写基础物理理论。

  一个由德国马克斯·普朗克研究所的伦道夫·波尔领导、有32名科学家参与的国际研究团队表示,他们的最新实验将精确度提高了10多倍,结果表明,质子半径要比以前认为的小4%。或许,用来计算质子大小的里德伯常量将失去价值,如果出现这种情况,其他基础的计算也都要重新修订。

  质子是带正电荷的基本粒子,它同中子和电子一起,组成了宇宙的基本元件——原子。几十年来,粒子物理学一直使用由一个质子和一个电子组成的氢原子作为基准来测量质子大小。

  在实验中,科学家使用μ介子取代氢原子中的电子。μ介子是一种带负电、质量为电子207倍的基本粒子,由于其质量比电子大许多,所带的负电可以屏蔽原子核的正电,所以,它能够同原子核更接近,发生的作用力更大,让科学家能够更精确地探测质子的结构。

  另外,μ介子以不同的能量状态存在,能量状态会影响其围绕质子旋转的方式,同时,质子的大小也会影响这些能量状态,也会影响让μ介子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态所需的能量。

  为了测量质子的大小,研究人员精确地让一束激光束对准包含了μ介子的氢原子,刺激μ介子从一种能量状态跃迁到另外一种能量状态,最终,研究人员精确地找到了他们正在寻找的跃迁,也测算出了质子的大小。

  英国国家物理实验所的杰夫·弗劳尔斯表示,如果该研究获得证实,其意义可能要远远大于耗资100多亿美元的欧洲粒子物理研究所正在进行的测试所谓“标准模型”的对撞,将会把粒子物理理论带入新的领域。

  法国巴黎第六大学卡斯特勒·布罗塞尔实验室主任保罗·印第里卡托指出,现在很多理论学家准备重新进行演算,另外,还需要更多的实验来证实或者推翻新的结论。在接下来的两年内,该研究团队将使用同样的设备,使用含有μ介子的氦原子再进行一次实验。不管结果如何,都说明物理学还蒙着很多神秘的“面纱”,需要人们逐一揭开。