主页 > 资讯 >

导航导航

彩票界 質子電荷半徑之謎真的解決了嗎? 樊振东许昕夺冠

发布日期:2019年12月16日 9:22编辑:彩票界

質子電荷半徑之謎真的解決了嗎? 大众车排放门损失:彩票界而打蜡这种美容反倒不会真的保护车漆,只是看起来更漂亮些。

公元前112年,汉武帝平定南越,次年在岭南设置南海、苍梧、郁林、合浦、交趾、九真、日南、珠崖、儋耳9郡,其中在今天广西地区境内有苍梧、郁林、合浦3郡(当时属于交州)。

【威少34分3篮板】

彈性散射截面的高精度測量需要準確知道入射和出射電子數量以及靶質子密度♂?﹡,以目前的技術水平♂,很難將這方面的系統誤差降低到1%以下﹡。

實驗摒棄了傳統的磁譜儀☆↑,而採用混合型高精度量能器(HyCal)來測量散射電子◇☆⊙,其開放式設置允許同時測量大角度範圍的電子並給出較高的能量探測精度∴。量能器前加裝了1.2平方米的巨型氣體電子倍增測量儀(GEM)用來精確測量散射電子的角度﹡⊿⌒。整個實驗只改變了一次電子束能量設置即得到了較大Q2 範圍的實驗數據♂▽。

撰文 | 彭潮(前美國杜克大學博士生□□,現於美國阿貢國家實驗室任博士后研究員)

彩票界

從2010年以來▽﹡┊,科學家用電子-質子散射(紅色)、常規氫原子光譜(藍色)、μ子-氫原子光譜(灰色)這幾種方法測量了質子的電荷半徑□⊿?,其數值分佈如圖所示∴◇┊。誤差棒表示了實驗的誤差範圍△♂,兩條帶狀陰影表示 CODATA在2014和2018年採用的質子半徑數值♂?〇。到了2019年〇△△,氫原子光譜法[1]與電子-質子散射法[2]測得的質子電荷半徑終於吻合〇。[7]

現代的物理理論研究表明相對論效應無法在實驗中被忽略△π,因此測量得到的形狀因子與橫向的電荷二維分佈相關∟,而無法給出準確的徑向信息[3]﹡♂。

在隨後進行的實驗中┊⊿,該課題組利用μ子繼續測量了氘、氦-3與氦-4的核子半徑⊿◇,並發現氘的核子半徑也與以往的測量結果有差距[5]♂,但氦-3和氦-4的初步分析結果卻符合預期[6]﹡,從而進一步加深了這個謎題▽﹡。自2010年始⊙,多領域的研究者們花費了大量的時間與精力∵?π,試圖從理論以及實驗上解釋這個謎題ππ▽。

電子半徑的擬合非常依賴極低Q2的數據〇↑,但低Q2意味着測量小角度以及低能量的散射電子◇。小角度會導致探測器過於靠近電子束〇,被電子束路徑上的非質子物質所引起的小角度散射影響⊿〇π,從而增加本底噪聲;而低能量則意味着要達到同樣的相對精度π♂,探測器需要有更好的能量分辨率⊙?。與此同時◇,低能量小角度的電子通過任何材料∴π∴,比如空氣和探測器♂♀,會引發多重散射♂∟,從而其角度和能量也將更輕易被改變♀⊙∵。

彩票界

種種問題其實都表明∴〇,在質子被發現一個世紀之後⌒,我們對質子的了解仍舊寥寥⊙,這個研究方向需要的工作仍然很多……

來源:返樸    ID:fanpu2019

葉志鴻(前美國杜克大學博士后研究員↑π,現於佳能公司任探測器科學家)

我們對質子了解多少△▽?自1917年盧瑟福(Ernest Rutherford)通過氮原子與α粒子的核反應發現質子存在的證據以來♂﹡┊,時間已超過了 100年◇┊∴。伴隨着這百余年物理理論與實驗方法的發展?∵◇,我們對質子的認知也不斷改變﹡⊙⊙。1933 年斯特恩(Otto Stern)測量質子磁矩后發現〇∵⌒,質子的結果不符合點狀粒子的預期♂π﹡,並且他初次假設質子應該具有內部結構↑☆。這個假設在20世紀50年代被霍夫斯坦德(Robert Hofstadter)所帶領的電子-質子彈性散射截面的測量實驗直接證實∟,在接下來的一系列散射實驗中▽△,物理學家進一步發現〇♂▽,質子應該是由更多的點狀粒子所組成∴▽。

彩票界

質子的內部結構頗為複雜♀〇,除了三個價夸克(uud)之外π♀⊿,還有夸克-反夸克對不斷地產生和湮滅﹡∵☆,膠子(黃色波浪線)則通過強核力將夸克束縛起來⌒▽。| DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON

質子電荷半徑之謎目前測量質子電荷半徑的實驗方法可以歸納為兩類:

現代的物理圖景常將質子描述為一個充滿了夸克、反夸克與膠子的包∵。作為自然界最廣泛存在、並且最為穩定的量子色動力學(QCD)束縛態▽π,關於質子的研究對理解強相互作用力至關重要∟。但隨着對質子內部結構認知的深入π□△,越來越多的謎題也伴隨而來△。例如┊⊙⊿,實驗表明質子自旋只有大約30% 源自於價夸克[編注:價夸克(valence quark)是指決定強子的量子數的夸克和反夸克⌒∵♀。因為任何一個強子(包括重子和介子)都包含由夸克、反夸克和膠子組成的無窮多的虛粒子之「海」♂π,但這些虛粒子並不影響其量子數⊙。] 而更多部分來源於夸克的軌道角動量和膠子π。又例如價夸克的質量之和遠低於質子質量π,其絕大部分的質量應該來自於膠子﹡,但我們對此缺乏更系統的理解∵♀◇。而最新的謎題則是關於質子的電荷半徑〇↑。

那麼?△,質子電荷半徑之謎真的解決了嗎⊙◇♂?《返樸》特邀上述 Nature 文章的兩位作者來講述質子半徑之謎的探索▽⊙。

PRad 實驗於2016年夏天在美國傑弗遜國家實驗室進行⊙〇∴,測量了Q2 = 0.0002 − 0.06 GeV2 範圍內的數據∵π〇,相對於以往的散射實驗π,此次實驗將Q2的數值降低了接近兩個數量級▽◇。對數據進行仔細分析及擬合□△,給出了rp = 0.831±0.007statr±0.012systr fm的結果△□▽,並已於近期發表于 Nature 雜誌[2]◇∵∟。相較於其他彈性散射截面測量實驗﹡⊿〇,PRad 的結果基於更接近 Q2 = 0 的數據⊿,以及更加可控的系統誤差⌒﹡⊙,所得出的質子電荷半徑與CREMA相符合π。再考慮到近兩年的三次氫原子能譜精確測量實驗中有兩個的結果[1﹡, 9]支持CREMA〇,有相當一部分研究者傾向於認為∵,質子電荷半徑之謎已隨之解決△▽。

虽然从20世纪50年代开始▽,在较高Q2区间的电子-质子弹性散射截面已经被众多实验用不同技术手段反复测量▽﹡,并从中获得非常精确的形状因子分布[8]〇♂▽,但由于以上罗列的困难∟,实验数据仅限于Q2 > 0.01 GeV2區間▽∵◇,數據點非常有限☆,且多組實驗結果有所出入?﹡∟,這給後期的全局擬合造成不少困難∵。為了更加準確地推演出Q2 = 0時的斜率▽,我們不僅需要嚴格處理實驗之間的系統誤差⊙,還要挑選合理的擬合函數來預測0< Q2 < 0.01 GeV2区间的电荷形状因子分布┊◇∴。在实验数据有限且精度不够的情况下∴♂,任何提取质子电荷半径的努力将不得不伴随较大的系统误差π﹡♂。

質子究竟有多大△?⊙?十多年前﹡☆∴,測量質子電荷半徑的兩種方法——光譜學法與散射法給出了基本一致的測量結果∴,0.88飛米(fm△,1飛米=10-15米)?∴▽。然而在2010年♂∟π,用μ子-氫原子光譜法測得的質子電荷半徑卻給出了0.84飛米的結果♂┊□,質子變小了♂﹡﹡!多年來〇,科學家一直努力探尋這個不同尋常的「質子電荷半徑之謎」☆。

彩票界

探測器均採用中間開口設計∴∵♀,讓電子束流管道直接穿過⌒△↑,將未發生散射反應的入射電子沿着管道引走◇∴,從而不僅能最大限度地測量小角度的散射電子⌒∴,也能極大地降低本底噪聲?♀π。

實驗同時測量了電子-電子彈性散射﹡↑。由於電子-電子彈性散射截面可以通過QED精確計算得出▽,測量結果可以反推得出入射電子數量與靶密度的乘積∵,極大地降低了來自這方面的系統誤差⊙。

但是?,縱觀整個過程﹡↑,質子電荷半徑爭論中所引發的問題有不少仍舊懸而未決〇。比如最近的實驗結果雖然大多支持CREMA?↑┊,但單個實驗的精度都無法完全排除 CODATA14的數值〇□。而且PRad結果為何與之前的彈性散射測量實驗有較大的差距┊♀♂?是因為系統誤差估計偏低∴?擬合方法引入的偏差⌒□?還是因為其他的原因□♂?這些我們仍然不甚清楚﹡。此外π△,氘核半徑的謎題仍未解開∟,μ − D結果的偏差似乎暗示了中子電荷分佈對氘核電荷半徑的影響◇﹡∴。

在氣態靶和探測器之間安裝了兩節巨大的圓柱型金屬真空腔☆☆,最大程度地阻絕了散射電子和空氣分子的多重散射⊿∴♂。

彩票界

后謎題時代的挑戰隨着近兩年實驗結果的出爐⊙☆♂,國際科技數據委員會修正了質子電荷半徑的數值π♀,給出 rp = 0.8414 ± 0.019 fm﹡,並隨之修正了里德伯常量♂□。這些改變似乎暗示了質子電荷半徑之謎已解決◇▽,電子和μ子仍保持着輕子普適性?π∟。

此次實驗摒棄了傳統的磁譜儀〇⊙,而是採用了混合型量能器(HyCal)⊙◇。[2]

PRad 實驗為了克服以上這些實驗挑戰↑,PRad 課題組提出了較以往不同的彈性散射截面測量方法⊙♀,其優勢主要集中在以下幾點:

其中 Q2 為輕子-質子散射的四維動量轉移∴↑〇,其直觀的物理含義為散射過程的觀測尺度♂⊿。Q2值越大▽▽↑,觀測尺度越小﹡♂∴,從而越能觀測到質子內部更精細的結構﹡π。質子的電荷半徑平方(rp2)可定義為電荷密度 ρE(r) 的二階矩π,近似等於電荷形狀因子在動量轉移為零(Q2 = 0)時的導數

彩票界

彈性散射實驗的挑戰由於電子-質子彈性散射實驗無法實際達到 Q2 = 0♂☆∟,同類實驗都是通過測量電荷形狀因子在一定 Q2 範圍內的分佈☆▽,再通過擬合手段獲得 Q2 = 0 的斜率☆,從而獲得質子的電荷半徑☆♂┊。縱觀近年的彈性散射實驗△⊙?,其結果誤差主要來自於以下幾方面:

實驗大多採用磁譜儀作為主探測器〇☆,其優勢是可通過測量高速運動的散射電子在強磁場的偏轉來精確獲取其動能▽△□,但磁譜儀的探測空間狹小┊〇﹡,單次設置只能測量小範圍的Q2▽▽♀。因此實驗中需要多次改變入射電子能量以及磁譜儀設置┊↑,而不同實驗設置下的探測精度不盡相同?,在擬合中使用不同設置下的數據會引入與Q2相關的系統誤差◇⊙,最終對擬合出的斜率產生影響?↑。

彩票界

2010 年⌒◇♂,CREMA 課題組在瑞士保羅謝爾研究所(Paul Scherrer Institute〇⌒⌒,PSI)將質子半徑的測量精度提高了兩個數量級?⌒☆。CREMA 利用μ子替換了氫原子的核外電子☆,製造了半衰期只有2.2微秒的2S態μ-氫原子(μp)π∟□,並測量了2S − 2P的能級躍遷∴◇,以此計算得出 rp = 0.84184 ± 0.00067 fm [4]◇♀。由於μ子質量大﹡┊▽,玻爾半徑小☆,μ-氫原子的能級對質子的電荷半徑更為敏感(約佔2%)☆﹡﹡,因此該實驗才實現了極為精確的測量□。

實驗使用了無窗氣態氫原子靶□♂。該氣態靶系統在運行時♀♀,會持續向真空腔內的兩端開口圓柱體型容器中注入低溫(19.5K)氫氣﹡⊙,以維持容器內的靶密度┊∵∵。真空腔與2個分子泵直接連接﹡◇,不斷泵走容器內溢出的氫氣⊙,以保持真空度﹡⊙,將靶氣體的分佈限制在容器中♂♀♂。該氣態靶幾乎完全移除了電子束路徑上的雜質材料∵⊙?,從而大幅降低了數據的本底噪聲〇?▽。

彩票界

另一類方法則是精密測量質子電荷分佈對氫原子能級分佈的影響(Lamb Shift△⌒♀,蘭姆位移)﹡,再通過理論計算反推出質子半徑┊。我們知道氫原子的核外電子運動滿足一定的概率分佈⊿,但沒有確定的軌跡與方向π。其空間分佈如同雲狀∟☆,因此也常用「電子云」來描述⊙⌒〇。由於質子具有內部結構∴,所以核外電子也會有一定幾率出現在質子內部┊〇?,從而導致電子所「感受到」的質子電荷改變♂∟,這細微的能級變化便與質子電荷半徑有關∟♂〇。由於質子電荷半徑的影響非常小(比如在 2S-2P 能級躍遷中大概只佔 0.014%)?,因此這類實驗方法需要高度精確的光譜測量以及高階的量子電動力學(QED)理論計算♂?。

今年9月♂∵↑,加拿大約克大學的研究團隊發表于 Science 的一篇論文報道了通過氫原子光譜法測得的更小的質子電荷半徑——0.833飛米[1]☆。到11月⊿▽┊,PRad實驗合作組在發表于Nature 的文章中宣布他們在美國托馬斯·傑斐遜國家實驗室(Thomas Jefferson Laboratory)完成的電子-質子散射實驗中測得最新的質子電荷半徑◇,結果為0.831飛米[2]▽。

彩票界

一類是通過測量輕子與氫原子的彈性散射截面得出質子的電荷和磁荷形狀因子 (GE⊿◇◇,GM)∵△π。在忽略相對論效應的近似情況下﹡,電荷形狀因子可以被解釋為質子電荷三維空間分佈的傅里葉變換

但是∟,CREMA的測量結果卻比國際科技數據委員會(CODATA)給出的數值(CODATA14: rp = 0.879 ± 0.011 fm)相差了5.6個標準差┊!CODATA的結果是基於過往實驗結果的加權平均〇,這些數值均依賴於普通氫原子的蘭姆位移測量以及電子-質子的彈性散射反應⊙∟。因此這個差距暗示了μ子可能不如標準模型所描述的那樣符合輕子普適性?,從而引起了原子物理、核物理以及高能物理等領域的廣泛興趣∴┊⊙,被稱為「質子電荷半徑之謎」◇┊♀。

本文标签:彩票界

大家都在看

热点事

娱乐娱情

热门阅读

精彩专题