物理学家合作解决质子半径问题

十年前，几乎任何核物理学家都可以告诉你质子的大致尺寸。但是在2010年，原子物理学家推出了一种承诺更精确测量的新方法。新数量比预期短4%，引发了核和原子物理界的争夺，以确定这种不一致的结果是由于新的物理因素还是从实验中提取数量的问题。

现在，四位核物理学家，两位实验家和两位理论家认为他们已经利用实验核物理数据和先进的物理模型解决了这种差异，以获得质子大小的新值。结果发表于4月的Physical Review C.

把标尺带到质子上

所有方法都同意的一点是质子很小。测量核粒子中电荷分布大小的质子的电荷半径略小于飞秒计，单个飞秒计记录的电压为千分之一千分之一。

换句话说，如果你拿一根米棒并将它的长度分成十亿个相等的碎片，然后只取一个这样的碎片并将其长度分成另外一百万个，这些百万个碎片中的每一个的长度将是一个飞秒计。

因为它太小，所以不能直接测量质子的电荷半径。相反，核物理学家和原子物理学家使用复杂的方法来确定质子大小。

“基本上，它是关于质子与电磁场的相互作用，这是所谓质子的电磁结构或质子的形状因子的一部分，”能源部托马斯·杰斐逊国家公司的科学家克里斯蒂安·韦斯解释说。理论和计算物理中心的加速器设施。“你所测量的是质子电荷空间分布的大小。”

两个公司，三个人群

大约30年前，核和原子物理学家提出了两种不同的方法来确定这种电荷半径。

核物理学家通过电子散射进行实验，其中电子向质子投掷，质子的电荷半径由电子从质子反弹后的路径变化决定。

“在某种意义上，电子从那么轻柔地散开了那个质子，”韦斯说。

原子物理学家也使用电子来测量质子的半径。他们使用光谱学观察电子在绕核小核运动时的能级，例如氢(带有一个质子)或氘(带质子和中子)。

使用这两种不同的方法，确定了大约0.88飞秒的半径作为世界值。

然后，在2010年，一个原子物理研究小组发表了令人震惊的消息。在对原子物理学方法的一种扭曲中，研究小组测量了实验室制造的氢原子周围轨道中电子的能级，这些氢原子用μ子取代了轨道电子。虽然μ子是与电子相同的粒子类，但它具有电子质量的200倍，因此轨道离质子更近。这种接近意味着质子的电荷半径对其轨道有更大的影响。

新的，更精确的方法产生了0.84飞秒的测量值，或比世界值小约4%。

新的结果引发了大多数物理学家认为已经解决的价值活动的狂热。计划进一步的电子散射实验，进行额外的氢和声子氢光谱测量，并重新检查原子和核理论的线索。

物理学家对峙

在杰斐逊实验室，新的努力激发了对用于建立世界价值的实验的回顾和核理论的回顾，以便更精确地检查数据或预测结果的价值。一个由四名核物理学家组成的团队聚集在一起研究Physical Review C出版物背后的科学。

他们首先解决了实验核物理学家关于电子散射数据的一个问题：如何从实验数据中获得质子半径的数量。

“从这些电子散射数据中提取质子的半径一直存在挑战，因为实际的散射实验需要从质子中进行一些有限的动量转移，”Weiss解释说。“你感兴趣的数字是质子在零动量转移时的反应，所以这是不能直接获取的东西。”

相反，核物理学家分析他们从最低动量转移的实验中获得的数据，然后使用一个程序推断为零。然而，关于动量转移仍然相关以及应该如何进行推断的问题仍然存在争议。

该团队的两名成员是实验主义者：杰斐逊实验室的科学家Douglas Higinbotham和阿贡国家实验室的高级研究员叶志红。他们通过考虑各种动量转移的预分析世界数据，解决了挑战的实验方面。

他们不是从数据中推断得到一个值，而是在整个测量动量转移范围内绘制数据，同时考虑到质子的电荷半径可以是许多可能值中的任何一个。

“我们只是在我们的拟合中修正半径，并且对于每个合理的半径值重复分析很多次，”Higinbotham说。“然后去找理论家并要求他们为这些半径生成理论曲线，这样我们就可以比较并看看是否有协议。”

这个由四人组成的团队的另外两名成员是理论家：Weiss和JoséManuelAlarcón，他是马德里康普顿斯大学的研究教授。他们共同努力收紧用于分析问题的理论方法。

“我们使用一种称为有效场理论的特殊理论方法来建立质子结构的模型，以了解它在低动量传递时如何响应电磁散射，”Weiss解释说。“该理论将质子的相关结构浓缩为几个数字。它允许您预测质子在有限动量转移时对电子散射的响应，以及它与您想要提取的电荷半径的关系。”

当实验主义者和理论家们比较他们的工作时，他们发现它收敛于质子半径的新值，如动画中所示。

“绝对美丽和引人注目的是，当你看到是否存在全局拟合和理论计算一致的半径时，有一个。这是.845飞秒，”Higinbotham说。“这与muonic半径结果奇怪地一致，而不是之前的许多电子散射提取结果。”

新物理学的窗口

解决这种差异的任务不是空闲的好奇心 - 这个数量的价值具有深远的影响。例如，更精确的结果可能揭示核和粒子物理学的未知领域。

“它可以成为新物理学的窗口。如果我们无法调和质子半径的不同测量值，也许是因为我们理解的新物理学是我们不理解的，或者我们理论上没有。这就是原因之一为什么这个质子半径如此重要，“Alarcón解释道。

当被问及他们是否认为这是这个数量的最终决定时，所有四位研究人员都表示反对。

“科学是一个不断完善思想和方法的过程，其中我们目前的理解只是我们进行更准确的理论和实验的一个阶段，”韦斯说。

目前，他们指出了几项最近的实验研究，这些实验研究使用更新的技术来测量更高精度的值，包括2016年在杰斐逊实验室的实验厅B中进行电子散射数据的PRad实验。它以其目标命名：永远- 更精确地测量质子的半径。

“PRad的结果将在今年结束。看看新结果是否能证实我们的科学分析将会很有趣，”Ye说。