质子最大的奥秘之一毕竟不是一个谜

当Max Planck量子光学学院的Randolf Pohl于2010年设定以衡量质子的半径时,他几乎知道了期望的。数十个较早的测量已到达0

当Max Planck量子光学学院的Randolf Pohl于2010年设定以衡量质子的半径时,他几乎知道了期望的。数十个较早的测量值达到了0.8751磁计计,即FM(一米四分之一)。想象一下,当他的尺寸较小4%时,他的惊喜:0.84087 FM。 POHL用MUON代替了先前研究中使用的电子,因此推断是Muon的存在在某种程度上缩小了质子。这将是一件很大的事情,是一种新的且意外的交互,要求重新考虑粒子物理学的重新考虑。确实,物理学家在数百篇论文中一直试图破解近10年的所谓“质子半径拼图”。现在,多伦多约克大学的埃里克·希瑟尔斯(Eric Hessels)的一项研究表明,根据本月科学本月发表的一篇论文,早期的测量简直是错误的。正如他们所说的那样,从来没有想过。

图像来源:Harper 3D/Shutterstock

测量质子

测量质子的过程非常复杂,随着时间的流逝,所涉及的技术变得更加敏感,因此得知质子半径的较早价值事实证明是不合时宜的,这并没有太大的震惊。平均得出数十个测量值。

在测量质子时,关键因素是质子与旋转的电子的相互作用。轨道与我们在太阳系中看到的简单盘旋路径不同。有时电子的路径与质子重叠,因此电子在其中部分花费时间,与之结合,并在夸克和胶子之间骑真空。

当电子部分在质子内部时,称为电子的2S状态。目前,随着动能和势能相互抗争以控制电子,来回拉动它并削弱其与质子的键合,质子自身的电荷会下降。随着键的减少,电子的能量增加,因为它与质子的键合少。最重要的是,质子和电子之间的键足够弱,以至于电子啤酒花回到质子外面,进入其2p态。电子的能量在2p状态下略有下降,因为它必须花费更多的能量才能保持到现在分离的质子。

2s和2p电荷之间的差异称为“羔羊换档”,在威利斯羔羊试图在1947年进行测量之后。它代表电子逃脱质子的能量量,揭示了质子在质量期间的强度电子的2s状态。质子的尺寸占羔羊偏移的0.01%,因此需要极高的测量,但是质子越大,其影响力就越强。

为了产生羔羊转移以测量,物理学家将激光器射入氢气,使其原子的电子从2s跳到P状态。由于其原子的简单结构:质子和一个电子,它们使用氢气使用氢。这(某种程度上)简化了测量,因为其他元素的多个电子将允许还必须进行测量和计算的潜在复杂相互作用。

Eric Hessels和测量设备

图片来源:约克大学

穆斯和电子终于同意

当Pohl在2010年获得令人惊讶的结果时,他正在使用定制的氢原子,其中电子被雄性代替。 muons是由大气中乳腐腐蚀产生的颗粒,与电子非常相似,有一些关键差异。首先,他们只能持续10-6秒,然后腐烂到通常是电子,电子抗抗逆性和muon中微子。但是,对于质子测量最重要的是,它们是电子质量的大约200倍。这就是为什么POHL在其测量中使用它们的原因。由于Muons比电子重得多,并且更紧密地旋转其质子,因此它们的2s状态更长,并且羊羔移位会比质子的大小更大程度地受到质子的影响,而不是正常或“电子”,氢。

Hessels及其同事的新测量使用电子氢代替了Muon氢来得出新的半径:0.833 FM,在可接受的误差范围内与POHL的0.834基本相同。他们开发的技术使他们能够测量羔羊的每一百万次转移。 Hessels告诉York的Yfile:“经过八年的实验,我们很高兴记录这种高精度测量值,有助于解决难以捉摸的质子 – 拉迪乌斯难题。”

Pohl在过去的十年中有时一定想知道他是否被误认为,他称赞Hessels的新测量值,据报道称这是“一个了不起的结果”。他为Occam的剃须刀得分,他感谢新的研究“指出了最平凡的解释”。

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