質子到底有多大?科學家初步解決質子半徑之謎

物理學界近 10 年來出現了質子半徑之謎,原因是 2010 年時科學家測量出質子半徑比預期還小 4%。現在,一項耗費 8 年時間的物理實驗測出質子精確半徑,並表明質子比我們以前認為的還更小。

粒子物理標準模型中,質子是由 2 個上夸克與 1 個下夸克組成的強子,所以質子並非基本粒子;確切形容的話,質子沒有明顯表面,不是教科書在介紹原子時示意的那種光滑小球體,從技術上講,質子既然由 3 個帶電夸克藉強核力綑綁而成,實際上更像「模糊的雲」,我們怎麼定義雲的半徑?物理學家依靠電荷密度,類似雲中水分子的密度。

過去,科學家從質子與電子形成的氫原子實驗測量蘭姆位移,在此邊界範圍得出質子半徑(更確切地說是「電荷半徑」),約 0.8768 飛米。

然而 2010 年 7 月時,一組物理學家團隊以緲子(muon)取代圍繞原子核旋轉的電子,利用由質子與緲子形成的奇異原子來測量實驗,仔細分析蘭姆位移數據後,得到方均根電荷半徑為 0.841 飛米,與國際標準數值相差 5 個標準差;2013 年 1 月,同團隊再度更新質子電荷半徑為 0.84087 飛米,精密度是先前的 1.7 倍,但與國際標準數值的差距也近一步拉大,相差了 7 個標準差。

這個懸而未解的難題稱為「質子半徑之謎」,科學家正致力尋找為何測量結果出現衝突,假如計算沒有出錯,可能必須重新檢視當今世界最精密的量子電動力學。

現在,加拿大約克大學團隊提出新的電子測量方法,測量質子正電荷的延伸程度,根據這項耗時 8 年才完成的物理實驗結果,該團隊證實質子可能真的沒有我們想像那麼大:最新數據表明質子半徑約 0.833 飛米。

這項結果對標準模型來說是個好消息,對那些希望打破規則、揭開新物理學的人來說則是壞消息。新論文發表在《科學》(Science)期刊。

(首圖為原子示意圖,來源:pixabay

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