量子物理：氦原子核半徑最新測量結果出爐，精度比過去提升5倍


圖片來源：Pixabay
在瑞士保羅·謝爾研究所（Paul Scherrer Institute，以下簡稱PSI）展開的實驗中，一個國際合作團隊測量出了氦原子核半徑，其精確度比以往測量值高出5倍。有了這一新數值，科學家們能夠檢測物理基礎理論，確定更加精確的自然常數。為了實現這次測量，研究人員需要μ子，它與電子相似，但質量為電子的200倍。PSI是全球唯一一所能夠製造低能μ子展開測量實驗的研究機構。研究人員將最新成果發表在《自然》雜誌上。
氦是宇宙中繼氫之後第二豐富的元素。在大爆炸發生後的最初幾分鍾內，宇宙中形成的原子核約四分之一都是氦原子核。氦核由四個基本粒子構成：兩個質子和兩個中子。對基礎物理學來說，理解氦原子核的特性非常關鍵，有助於理解其他比氦更重的原子核中發生的過程。“氦原子核是非常基本的原子核，可以用神奇來描述。”PSI和蘇黎世聯邦理工學院的物理學家Aldo Antognini說道。他的同事和論文的合作者，來自德國美因茨約翰內斯古騰堡大學的Randolf Pohl補充說：“我們先前對氦原子核的了解來自電子實驗。然而在PSI，我們首次研發出一類新的測量方法，極大提升了精確度。”

Aldo Antognini。圖片來源：PaulScherrerInstitute/MarkusFischer
這一國際合作項目使用新方法，成功確定了氦原子核尺寸，所得數值的精確度比以往的技術高出5倍。1月28日，團隊在頂級科學期刊《自然》上發表了這一成果。根據他們的發現，氦原子核的電荷平均半徑為1.67824飛米（即femtometer，一飛米為一米的千萬億分之一）。
“我們實驗背後的思路相當簡單。”Antognini解釋說。正常情況下，兩個帶負電荷的電子圍繞帶正電荷的氦原子核旋轉。“我們沒有使用普通的原子，而是使用了奇異原子（exoticatoms），用（兩個）μ子來代替兩個電子。”μ子是比電子更重的粒子，兩者非常相似，但前者的質量是後者的約200倍。μ子與原子核的結合要比電子更加牢固，因此環繞原子核的規道也更窄。與電子相比，μ子幾乎像是逗留在原子核內部一般。Antognini說：“所以，我們可以利用μ子-氦得出結論，理解原子核結構，測量其特征。”
複雜精密的激光係統
PSI使用粒子加速器製造μ子。該研究所的特色是生成低能μ子，這些粒子運動緩慢，可以讓它們在裝置中停下來，用以展開實驗。這就是研究人員製造奇異原子唯一可行的方式：讓μ子把電子“扔出”其規道，取代電子的位置。而高速μ子反而會直接飛出實驗裝置。PSI係統提供的低能μ子數量遠多於全球其他同類係統。“這就是為什麽隻有在這裏，我們才能夠使用μ子-氦來展開實驗。”Fran Kottmann說道。40多年來，為實現這一實驗，他一直致力於推進必要的初步研究和技術發展，為實現這個實驗做準備。
μ子會撞擊一個充滿氦氣的小型氣室。如果條件合適，μ-氦原子就此誕生，而μ子所處的能態能夠讓它始終待在原子核內。“接下來，就輪到實驗第二重要的部分——激光係統發揮作用。”Pohl解釋說。這一精密係統會對氦氣發射激光脈衝。如果激光頻率正確，就會激發μ子，使其進入更高的能量狀態，這時它的運動路徑會保持在原子核外。當它從高能態回落到基態後，會發射X射線。探測器會記錄下這些X射線信號。
在實驗過程中，研究人員不斷改變激光頻率，直到出現大量X射線信號。接下來，他們要用到物理學家常說的共振頻率。借助這一頻率，就能確定原子中μ子兩種能態之間的差異。根據理論，測量到的能量差異取決於原子核的大小，因此研究人員使用理論方程，通過測量到的共振確定原子核半徑。數據分析由Randolf Pohl的團隊在美因茨進行。
質子半徑謎團正在解開
2010年，PSI的研究人員已經使用同樣的方法測量了質子半徑。當時他們獲得的測量值與其他測量方法獲得的數值不匹配。關於質子半徑之謎的成因，曾經眾說紛紜，一些人推測這背後可能隱藏著新物理學，μ子和質子以先前未知的形式相互作用。而這次，更精確的新數值和其他方法得到的測量值沒有矛盾。Kottmann說：“這說明更不太可能用超越標準模型之外的物理學來解釋這些結果。”此外，近年來使用其他方法確定的質子半徑數值不斷接近PSI給出的精確數值。“質子半徑之謎仍然存在，但也在逐漸解開。”Kottmann補充說。

Franz Kottmann（左）和Karsten Schuhmann為實驗做了關鍵的準備工作。圖片來源：PaulScherrer Institute/Markus Fischer
“我們的測量用途多種多樣。”研究的第一作者Julian Krauth說，“氦原子核半徑是核物理學的重要試金石。”原子核通過強相互作用結合在一起，強相互作用是物理學四大基本力之一。借助強相互作用理論，即量子色動力學，物理學家能預測氦原子核以及其他包含少數質子和中子的輕原子核半徑。而氦原子核半徑的精確測量讓科學家能夠繼續檢驗其他理論預測，亦有助於檢測原子核結構新理論模型，更好地理解原子核。
μ-氦原子的測量值也可與使用普通氦原子和離子的實驗測量值相比較。後一類實驗也使用激光係統觸發能態轉變並進行測量，不過對象是電子而不是μ子。測量電子氦原子的實驗正在進行中。通過比較兩項實驗的測量結果，我們能夠得出結論，確定基本自然常數，比如裏德伯常數，該常數在量子力學中作用重要。
傳統悠久的合作
盡管經曆了漫長的實驗，質子半徑測量才取得了成功，而這次氦原子核實驗卻是立馬有了結果。“研究進展順利，我們相當幸運，”Antognini說，“這樣的激光係統幫助我們處在技術的前沿，能夠輕鬆實現突破。”
“而我們的新項目難度會更高。”ETH的Karsten Schuhmann補充說，“目前我們正在攻克質子磁半徑的問題。要實現目標，激光脈衝的能量需要加強10倍。”
翻譯：阿金
審校：戚譯引
引進來源：PAULS CHERRER INSTITUTE
引進鏈接：https://eurekalert.org/emb_releases/2021-01/psi-soh012521.php
本文來自：環球科學


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