北京
新型氫激光測量確定了質子的大小，幫助解決了粒子物理學中長達10年的爭論。
科羅拉多州立大學的物理學家以前所未有的精度測量了氫原子核（質子）的半徑，幫助解決了一個長達十年之久的差異，這一差異曾引發對自然界最基本粒子之一的質疑。
研究團隊測定的質子半徑約為0.84飛米，即不到一千萬億分之一米。這一結果與先前公認的0.876飛米不同，而與更近期的一些測量結果一致，這些結果都表明質子比科學家曾經認為的略小。
這一發現有助于結束所謂的“質子半徑之謎”，這是一個因不同實驗方法對質子大小測量結果相互矛盾而引發的長期爭議。
多年來，物理學家用電子測量氫原子時得到了一個數值。但使用μ子（電子更重的“表親”）進行的實驗卻始終指向一個更小的質子半徑。這種不匹配引發了猜測，認為可能有未知的物理效應在影響結果。
精密測量終結爭議
新的測量結果給出了不同的答案。
研究人員稱，該結果與標準模型（描述基本粒子如何相互作用的理論框架）的預測一致。這項研究還降低了此前認為的某種未知力或粒子導致這種差異的可能性。
“我們的測試顯示，質子的尺寸與理論在萬億分之一的精度水平上精確一致，排除了在這種情況下由新力或新粒子導致差異的可能性，”科羅拉多州立大學物理系副教授迪倫·約斯特說。
“那本會顯著改變標準模型，而這正是研究人員一直在尋找的，”他補充道。
為了進行測量，研究人員在真空腔內產生了一束原子氫，并使用紫外激光將電子激發到不同的能級。由于質子的大小會微妙地影響電子在原子核周圍的行為，團隊通過精確測量這些能量躍遷，推算出質子的半徑。
該實驗同時也是對量子電動力學（描述光與物質相互作用的理論）的一次檢驗。
新型激光方法
最大的挑戰之一，是從快速運動的氫原子中獲取干凈的測量信號，這些原子與激光相互作用的時間很短。
為克服這一限制，團隊開發了一種同時使用兩個激光場的新技術。
“這些原子運動非常快，與激光相互作用的時間不長，這會沖淡我們要尋找的信號，”該研究的博士生、第一作者瑞安·布利斯說。“我們開發了一種同時使用兩個激光場的新技術，以提高測量的精度。”
這一結果得到了馬克斯·普朗克研究所一個團隊的獨立證實，他們采用了不同的測量方法，進一步增強了人們對這一修訂后質子尺寸的信心。
研究人員表示，該項目中開發的激光技術現在將應用于更復雜的氫形式，包括氘，以探索原子物理學的其他方面。
約斯特說，這項工作展示了精密桌面實驗如何能與粒子加速器等大型設施相互補充，共同探索新物理并對現有理論進行更深入的檢驗。
該研究發表在《物理評論快報》期刊上。
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