质子，我们对它再熟悉不过了，以至于我们认为对它的一切性质都完全了解，毕竟它是宇宙中物质最主要的成分之一。在一个世纪以前，对带正电的质子和带负电的电子形成的氢原子的研究，引起了一场物理学的革命——量子力学的到来。现在，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机也利用两束质子对撞来产生新的粒子，比如前几年刚刚发现的希格斯粒子。 但是，在我们都相信我们对质子有足够了解的时候，质子半径之谜悄然地走进了我们的视线。
为什么是μ子？当电子或者μ子在某个特定的能量等级绕着质子时，事实上在质子内部找到它们的概率不为零，而且这个概率会随着质子半径而变大。当电子或μ子跑到质子内部，它们所感受到质子电荷（与位于质子之外相比）会比较小，因此电子或μ子与质子之间的整体束缚力也就会减少，它们也就更有可能逃离。由于质量上的差异导致μ子氢原子绕质子运动的时候，轨道半径比电子要小很多，因此它呆在质子中的时间就应该长得多。这就意味着它感受到的质子电荷会大大减低，这个巨大的变化使我们能够更精确的用它来测量半径。 Pohl在实验开始的时候一直认为测量出的半径应该与官方数值相差很近，因此一直没有加大搜索的范围的，以至于这个项目耗时十年都一无所获。直到最后他们决定瞄准更小的质子半径进行寻找。结果的确出乎意料，他们最终得到的质子半径是0.8409飞米，误差为正负0.0004飞米。这个结果比此前任何测量都要准确10倍，但数值上却相差了4%。或许你认为这点差异不算什么，但是粒子物理学被认为是迄今最精确的科学，有时候理论预言和实验测量能够相符到小数点后面第10位，因此这个结果是一个巨大的差别！这就是质子半径之谜。质子的半径之谜在2013年的一项新测量中得到了验证。 为什么物理学家对质子半径之谜困惑不已？根据现代粒子物理学的标准模型（描述了自然界中的三种基本力），质子和μ子之间的相互作用应该和质子和电子间的相互作用完全一样。至从质子半径之谜的出现，粒子物理学家为此绞尽脑汁，提出了许多的理论解释。或许是标准模型哪里出错了？又或许是存在着一种未知的基本力——一种作用在质子和介子间的新作用力？ 在科学家还没搞懂为什么质子半径之谜的时候，Randolf Pohl刚刚发表在《科学》杂志的一篇论文使事情变得更加的扑朔迷离。这次，他们测量的是氘（Deuterium）的半径，氘原子核是由一个质子和一个中子组成，氘原子是氢的同位素。他们测量了μ子氘原子，即μ子绕着氘核。Pohl想知道的是μ子氘原子中的氘核的半径和普通的由电子围绕的氘原子相比，是否也会发现同样的问题。 为了真正测量半径，我们需要向μ子氘气体发射激光（上图），使μ子跃迁到更高的能级上。这样就能够精确地找出μ子跃迁所需要的能量，也就可以知道当μ子位于氘核中时的束缚力有多弱。这样我们就可以算出从哪里开始才算是处于氘核的内部，即半径。 测量的结果是μ子氘核的半径比普通氘原子中的氘核要小，在精确度提高许多倍的情况下比Codata的数值小了0.8%。这和质子半径之谜的情况一样。现在我们发现了两个完全独立的差异。 这是否暗示着应该存在着新的更加基本的物理？Pohl本人对此表示怀疑，他更倾向相信是里德伯常量出错了。里德伯常量是在计算两个原子能级间的区别时所需要的一个因素。为了测试这一可能，物理学家也开始着手在回避里德伯常量的情况下测量质子的半径。当然这只是其中一个解释，也有其它科学家认为这或许暗示着我们需要超越标准模型的理论。只有通过更多不同的实验才能够检验这些理论。 参考文献： 【1】R. Pohl et al, Laser spectroscopy of muonic deuterium, Science (2016). DOI: 10.1126/science.aaf2468 【2】Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen, Science 25 January 2013: Vol. 339 no. 6118 pp. 417-420 DOI: 10.1126/science.1230016 ▽ 点击文字查看更多文章 ▽ 隐藏的新物理 | 标准模型 | 统一之路 | 磁单极子 | 从原子到万物 | 宇宙中的未解之谜 | 反物质 |宇宙的阴暗面 | 宇宙大爆炸 | 核聚变 | 无尽的宇宙 |
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