新的測(cè)量產(chǎn)生較小的質(zhì)子半徑

PRad協(xié)作使用了半個(gè)世紀(jì)以來(lái)通過(guò)電子散射測(cè)量質(zhì)子尺寸的第一種新方法，在能源部的托馬斯·杰斐遜國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)子半徑產(chǎn)生了新的價(jià)值。

最近發(fā)表在《自然》雜志上的結(jié)果是通過(guò)電子散射實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最精確的結(jié)果之一。所獲得的質(zhì)子半徑的新值是0.831 fm，小于先前的電子散射值0.88 fm，并且與最新的muonic原子光譜法結(jié)果一致。

北卡羅萊納州A&T州立大學(xué)教授Ashot Gasparian說(shuō)：“我們很高興多年的合作努力即將結(jié)束，并取得了良好的結(jié)果，這將對(duì)解決所謂的質(zhì)子半徑難題至關(guān)重要。”實(shí)驗(yàn)的發(fā)言人。

宇宙中所有可見(jiàn)物質(zhì)都建立在由三個(gè)夸克組成的云中，這些夸克結(jié)合了強(qiáng)大的能量。遍布每個(gè)原子的心臟的無(wú)處不在的質(zhì)子，已經(jīng)成為旨在揭示其秘密的眾多研究和實(shí)驗(yàn)的主題。然而，一項(xiàng)根據(jù)云的均方根電荷半徑來(lái)測(cè)量云的大小的實(shí)驗(yàn)出乎意料的結(jié)果使原子物理學(xué)家和核物理學(xué)家聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行了一系列活動(dòng)，以重新檢查這一基本數(shù)量的質(zhì)子。

在2010年之前，質(zhì)子半徑的最精確測(cè)量來(lái)自?xún)煞N不同的實(shí)驗(yàn)方法。在電子散射實(shí)驗(yàn)中，電子在質(zhì)子處被發(fā)射，質(zhì)子的電荷半徑由電子從質(zhì)子反彈或散射后的路徑變化決定。在原子光譜測(cè)量中，當(dāng)電子圍繞一個(gè)小原子核旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以觀察到它們之間的躍遷(以電子釋放的光子的形式)。通常觀察到的核包括氫(帶有一個(gè)質(zhì)子)或氘(帶有質(zhì)子和中子)。這兩種不同的方法產(chǎn)生的半徑約為0.88飛米。

2010年，原子物理學(xué)家宣布了一種新方法的結(jié)果。他們測(cè)量了圍繞實(shí)驗(yàn)室制造的氫原子的軌道中電子的能級(jí)之間的躍遷，該氫原子用μ子取代了軌道電子，μ子的軌道更接近質(zhì)子，對(duì)質(zhì)子的電荷半徑更敏感。該結(jié)果產(chǎn)生的值約為0.84飛米，比以前小4%。

2012年，由加斯帕里安(Gasparian)領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家合作，在杰斐遜實(shí)驗(yàn)室(Jefferson Lab)進(jìn)行了一次技術(shù)合作，以改進(jìn)電子散射方法，以期對(duì)質(zhì)子的電荷半徑進(jìn)行新穎且更精確的測(cè)量。在對(duì)連續(xù)電子束加速器設(shè)施(用于核物理研究的DOE用戶(hù)設(shè)施)進(jìn)行升級(jí)之后，對(duì)PRad實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)先調(diào)度，這是第一個(gè)獲取數(shù)據(jù)并完成其運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)之一。該實(shí)驗(yàn)于2016年在杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)廳B中獲取了電子散射數(shù)據(jù)。

加斯帕里安說(shuō)：“當(dāng)我們開(kāi)始這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，人們正在尋找答案。但是，要進(jìn)行另一個(gè)電子-質(zhì)子散射實(shí)驗(yàn)，許多懷疑論者不相信我們可以做任何新的事情。” “如果想提出新的東西，就必須提出一些新的工具，某種新的方法。而我們做到了—我們進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)與其他電子散射實(shí)驗(yàn)完全不同。”

合作組織建立了三種新技術(shù)，以提高新測(cè)量的精度。首先是新型無(wú)窗目標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)施，該系統(tǒng)由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)重大研究?jī)x器基金資助，并且很大程度上由杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)小組開(kāi)發(fā)，制造和運(yùn)營(yíng)。

無(wú)窗目標(biāo)將冷凍氫氣直接流入CEBAF的1.1和2.2 GeV加速電子流，并使散射電子幾乎不受阻礙地移動(dòng)到探測(cè)器中。

“當(dāng)我們說(shuō)無(wú)窗時(shí)，我們說(shuō)的是管子對(duì)加速器的真空是開(kāi)放的。這看起來(lái)像是一個(gè)窗口，但是在電子散射中，窗口是管子末端的金屬蓋，那些已經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)言人，密西西比州立大學(xué)教授Dipangkar Dutta說(shuō)。

“這是人們第一次真正在杰斐遜實(shí)驗(yàn)室將氣流目標(biāo)放在束流線上，”杜克大學(xué)實(shí)驗(yàn)聯(lián)合發(fā)言人，亨利·紐森教授高海燕說(shuō)。“真空度很好，因此我們可以讓電子束穿過(guò)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上我們?cè)谌肷洳嫌幸粋€(gè)孔，在出口箔上有一個(gè)孔。本質(zhì)上，電子束剛好直接穿過(guò)氫氣，看不到任何窗戶(hù)。”

下一個(gè)主要區(qū)別是使用量熱儀而不是傳統(tǒng)上使用的磁能譜儀來(lái)檢測(cè)由于入射電子撞擊氫的質(zhì)子或電子而產(chǎn)生的散射電子。重新設(shè)計(jì)的混合量熱計(jì)HyCal測(cè)量了散射電子的能量和位置，而新建的氣體電子倍增器GEM檢測(cè)器也以更高的精度檢測(cè)了電子的位置。

然后，將來(lái)自?xún)蓚€(gè)探測(cè)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，這使核物理學(xué)家可以將每個(gè)事件分類(lèi)為電子-電子散射或電子-質(zhì)子散射。這種對(duì)事件進(jìn)行分類(lèi)的新方法使核物理學(xué)家能夠?qū)⑵潆娮?質(zhì)子散射數(shù)據(jù)歸一化為電子-電子散射數(shù)據(jù)，從而大大減少了實(shí)驗(yàn)不確定性并提高了精度。

最后的主要改進(jìn)是將這些檢測(cè)器的位置與電子束撞擊氫靶的角度距離非常近。通過(guò)合作，該距離可以降至不到一度。

杜塔說(shuō)：“在電子散射中，為了提取半徑，我們必須使散射角盡可能小。” “要獲得質(zhì)子半徑，您需要外推到零角，這在實(shí)驗(yàn)中是無(wú)法獲得的。因此，越接近零，越好。”

“我們探索的區(qū)域具有如此大的前向角，并且具有如此小的四動(dòng)量傳遞平方，以至于它在電子-質(zhì)子散射中從未達(dá)到過(guò)，”愛(ài)達(dá)荷州立大學(xué)的實(shí)驗(yàn)副發(fā)言人兼教授Mahbub Khandaker補(bǔ)充道。大學(xué)。

合作者說(shuō)，結(jié)果是獨(dú)特的，因?yàn)樗褂昧艘环N通過(guò)電子散射的新技術(shù)來(lái)確定質(zhì)子電荷半徑。現(xiàn)在，他們期望將結(jié)果與質(zhì)子半徑的新光譜測(cè)定結(jié)果以及即將在全球范圍內(nèi)進(jìn)行的電子和μ子散射測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。

此外，這一結(jié)果也為質(zhì)子半徑難題首次浮出水面時(shí)提出的新自然力的猜想提供了新的思路。

杜塔說(shuō)：“當(dāng)最初的質(zhì)子半徑難題于2010年問(wèn)世時(shí)，社區(qū)中就有希望，也許我們已經(jīng)找到了自然的第五種力，這種力在電子和介子之間的作用不同。” “但是PRad實(shí)驗(yàn)似乎為這種可能性關(guān)閉了大門(mén)。”

他們說(shuō)，下一步是考慮使用這種新的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以在該主題和相關(guān)主題(例如氘核的半徑，氘核)上獲得更高的精度。

高說(shuō)：“很有可能我們可以將測(cè)量結(jié)果提高兩倍甚至更多。”