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迄今最精确质子电荷半径测出

来源:科技日报2020-12-04 09:38

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  科技日报北京12月3日电 (记者刘霞)氢是宇宙中最常见、最基础的元素,但其质子电荷半径大小仍是未解之谜。德国科学家在最新一期《科学》杂志撰文指出,他们利用高精度频梳技术,在高分辨率氢光谱中激发氢原子,首次将量子动力学的测试精确到小数点后13位,在此过程中测得质子电荷半径为0.8482(38)飞米(1飞米为10-15米),精度是此前所有测量结果的2倍。

  无处不在的质子,位于每个原子的核心,已成为许多研究和实验的主题,但质子电荷半径究竟有多大,一直是个未解之谜。十多年前,科学家借助光谱学法与散射法给出了基本一致的测量结果:0.88飞米。然而2010年,科学家用μ介子—氢原子光谱法测得的质子电荷半径却是0.84飞米,质子“变小”了4%!因此多年来,科学家一直在努力研究这个不同寻常的“质子电荷半径之谜”。

  为解开这个谜,在最新研究中,MPQ团队借用一种完全不同的互补方法来测量氢原子轨道上电子能级之间的跃迁。他们利用一种双光子频梳谱仪,得出质子电荷半径为0.8482(38)飞米,精度为之前所有针对氢开展的测量值的2倍,而且,该研究首次将量子动力学的测试精确到小数点后13位。

  最新研究也是频梳光谱学领域的里程碑。研究人员解释说,迄今他们对氢和其他原子、分子进行精确光谱分析,用的几乎全是连续波激光,而频梳由脉冲激光产生,此类激光器使科学家有可能进入极短波长的紫外线范围,而连续波激光无法做到这一点。此外,科学家们一直无法用激光精确地研究氦离子等他们感兴趣的离子,最新研究朝改进这一状况迈出了重要一步。研究人员表示,希望这些紫外频梳能用于直接冷却氢和碳等重要的生物化学元素,以便更精确地研究它们。

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