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來源 PAUL SCHERRER INSTITUTE

翻譯 阿金

審校 戚譯引

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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(tuán)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(shù)值，科學(xué)家們能夠檢測物理基礎(chǔ)理論，確定更加精確的自然常數(shù)。為了實現(xiàn)這次測量，研究人員需要 μ 子，它與電子相似，但質(zhì)量為電子的 200 倍。PSI 是全球唯一一所能夠制造低能 μ 子展開測量實驗的研究機(jī)構(gòu)。研究人員將最新成果發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上。

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氦是宇宙中繼氫之后第二豐富的元素。在大爆炸發(fā)生后的最初幾分鐘內(nèi)，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(gòu)成：兩個質(zhì)子和兩個中子。對基礎(chǔ)物理學(xué)來說，理解氦原子核的特性非常關(guān)鍵，有助于理解其他比氦更重的原子核中發(fā)生的過程。“氦原子核是非?；镜脑雍?，可以用神奇來描述?！盤SI 和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的物理學(xué)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(nèi)斯古騰堡大學(xué)（Johannes Gutenberg University）的 Randolf Pohl 補(bǔ)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(fā)出一類新的測量方法，極大提升了精確度?！?/p>

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Aldo Antognini。圖片來源：Paul Scherrer Institute/Markus Fischer

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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(shù)值的精確度比以往的技術(shù)高出 5 倍。1 月 28 日，團(tuán)隊在頂級科學(xué)期刊《自然》上發(fā)表了這一成果。根據(jù)他們的發(fā)現(xiàn)，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）。

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“我們實驗背后的思路相當(dāng)簡單?！盇ntognini 解釋說。正常情況下，兩個帶負(fù)電荷的電子圍繞帶正電荷的氦原子核旋轉(zhuǎn)?！拔覀儧]有使用普通的原子，而是使用了奇異原子（exotic atoms），用（兩個）μ 子來代替兩個電子?！宝?子是比電子更重的粒子，兩者非常相似，但前者的質(zhì)量是后者的約 200 倍。μ 子與原子核的結(jié)合要比電子更加牢固，因此環(huán)繞原子核的規(guī)道也更窄。與電子相比，μ 子幾乎像是逗留在原子核內(nèi)部一般。Antognini 說：“所以，我們可以利用 μ 子-氦得出結(jié)論，理解原子核結(jié)構(gòu)，測量其特征?！?/p>

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復(fù)雜精密的激光系統(tǒng)

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PSI 使用粒子加速器制造 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。這就是研究人員制造奇異原子唯一可行的方式：讓 μ 子把電子“扔出”其規(guī)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 系統(tǒng)提供的低能 μ 子數(shù)量遠(yuǎn)多于全球其他同類系統(tǒng)?！斑@就是為什么只有在這里，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(xiàn)這一實驗，他一直致力于推進(jìn)必要的初步研究和技術(shù)發(fā)展，為實現(xiàn)這個實驗做準(zhǔn)備。

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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(tài)能夠讓它始終待在原子核內(nèi)。“接下來，就輪到實驗第二重要的部分——激光系統(tǒng)發(fā)揮作用。”Pohl 解釋說。這一精密系統(tǒng)會對氦氣發(fā)射激光脈沖。如果激光頻率正確，就會激發(fā) μ 子，使其進(jìn)入更高的能量狀態(tài)，這時它的運動路徑會保持在原子核外。當(dāng)它從高能態(tài)回落到基態(tài)后，會發(fā)射 X 射線。探測器會記錄下這些 X 射線信號。

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在實驗過程中，研究人員不斷改變激光頻率，直到出現(xiàn)大量 X 射線信號。接下來，他們要用到物理學(xué)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(tài)之間的差異。根據(jù)理論，測量到的能量差異取決于原子核的大小，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(shù)據(jù)分析由 Randolf Pohl 的團(tuán)隊在美因茨進(jìn)行。

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質(zhì)子半徑謎團(tuán)正在解開

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2010 年，PSI 的研究人員已經(jīng)使用同樣的方法測量了質(zhì)子半徑。當(dāng)時他們獲得的測量值與其他測量方法獲得的數(shù)值不匹配。關(guān)于質(zhì)子半徑之謎的成因，曾經(jīng)眾說紛紜，一些人推測這背后可能隱藏著新物理學(xué)，μ 子和質(zhì)子以先前未知的形式相互作用。而這次，更精確的新數(shù)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(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理學(xué)來解釋這些結(jié)果?！贝送猓陙硎褂闷渌椒ù_定的質(zhì)子半徑數(shù)值不斷接近 PSI 給出的精確數(shù)值。“質(zhì)子半徑之謎仍然存在，但也在逐漸解開。”Kottmann 補(bǔ)充說。

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Franz Kottmann（左）和 Karsten Schuhmann 為實驗做了關(guān)鍵的準(zhǔn)備工作。圖片來源：Paul Scherrer Institute/Markus Fischer

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“我們的測量用途多種多樣?！毖芯康牡谝蛔髡?Julian Krauth 說，“氦原子核半徑是核物理學(xué)的重要試金石?！痹雍送ㄟ^強(qiáng)相互作用結(jié)合在一起，強(qiáng)相互作用是物理學(xué)四大基本力之一。借助強(qiáng)相互作用理論，即量子色動力學(xué)（quantum chromodynamis），物理學(xué)家能預(yù)測氦原子核以及其他包含少數(shù)質(zhì)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(xué)家能夠繼續(xù)檢驗其他理論預(yù)測，亦有助于檢測原子核結(jié)構(gòu)新理論模型，更好地理解原子核。

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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。后一類實驗也使用激光系統(tǒng)觸發(fā)能態(tài)轉(zhuǎn)變并進(jìn)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(jìn)行中。通過比較兩項實驗的測量結(jié)果，我們能夠得出結(jié)論，確定基本自然常數(shù)，比如里德伯常數(shù)（Rydberg constant），該常數(shù)在量子力學(xué)中作用重要。

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傳統(tǒng)悠久的合作

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盡管經(jīng)歷了漫長的實驗，質(zhì)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(jié)果。“研究進(jìn)展順利，我們相當(dāng)幸運，”Antognini 說，“這樣的激光系統(tǒng)幫助我們處在技術(shù)的前沿，能夠輕松實現(xiàn)突破?！?/p>

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“而我們的新項目難度會更高?！盓TH 的 Karsten Schuhmann 補(bǔ)充說，“目前我們正在攻克質(zhì)子磁半徑的問題。要實現(xiàn)目標(biāo)，激光脈沖的能量需要加強(qiáng) 10 倍?！?/p>

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參考來源：https://eurekalert.org/emb_releases/2021-01/psi-soh012521.php?

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