“质子半径之谜”或将揭晓答案

Alexey Grinin和Dery Taray正在调试1S-3S实验的真空系统。

phys.org网站近日报道，德国马克斯·普朗克量子光学研究所（MPQ）的物理学家们，利用频率梳技术，将质子电荷半径值的精确度提升至小数点后13位，成功验证了量子电动力学。这意味着他们向着解决质子电荷半径难题迈进了一步。相关研究成果刊登于《科学》杂志中。

氢是宇宙中最常见、最简单的元素，它只包含一个电子。然而，关于氢元素，还有很多未解之谜。

氢原子中的电子能够“感知”质子大小，而质子大小在能级的最小变化中得到反映。几十年来，科学家对氢原子进行了无数次测量，得到的质子半径都是一致的。然而，在介子氢的光谱学研究中，科学家们发现，电子被重200倍的μ介子取代了。随后，有研究人员报告称，介子氢实验中测得的质子半径值，比普通氢半径小百分之四。如果所有的实验都是准确的，也就意味着量子电动力学理论本身可能有缺陷。

“质子半径之谜”激发了全球科学家的研究热情。然而，质子半径的精确值仍然扑朔迷离——加兴和多伦多的科学家认为质子半径相对较小，而来自巴黎的测量结果则支持了此前测定的较大值。。

研究人员报告的不同质子半径。

MPQ的Alexey Grinin团队决定用一种完全不同的互补方法进行实验。借助无多普勒双光子频率梳光谱技术，他们将测量精确度提高了4倍，证实质子半径值相对较小。该结果表明，质子半径值不一致是实验性问题，而非根本性问题。量子电动力学的根基没有被动摇。

脉冲钛蓝宝石激光器在放大非线性晶体、产生二次谐波时，激发了波长410纳米的蓝色激光。频率梳光谱学在质子半径测定项目中的成功应用，还奠定了另一个重要的科学里程碑。迄今为止，对氢和其他原子、分子的精确光谱学研究，几乎完全是由连续波激光器完成的。相比之下，频率梳激光器有可能穿透到波长更短的紫外光范围内，而类氢粒子（如氦离子）可能在这一范围内存在跃迁。不过，即便在首个量子理论发展100多年后，科学家也无法用连续波激光器完成类氢粒子的精确研究。

现在，这一困境或许有了出路。

此外，科学家还希望借助紫外频率梳技术，用激光直接冷却重要的生物、化学元素（如碳），从而提高相关研究的精度。

原创编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：陈之涵

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

https://phys.org/news/2020-11-unprecedented-accuracy-quantum-electrodynamics-giant.html

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