质子之谜的下一个阶段

Alexey Grinin和Derya Taray arbeitem am真空系统的1S-3S实验。
成功

马克斯·普朗克量子光学研究所的物理学家们利用氢光谱将量子力学的精确度测试到了一个全新的水平,在这一过程中,他们离解决众所周知的质子电荷半径之谜更近了一步。

马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)的科学家们以前所未有的精确度成功地测试了量子电动力学,精确到小数点后13位。新的测量结果几乎是之前所有氢测量结果总和的两倍,使科学离解开质子大小之谜又近了一步。这种高精度是通过获得诺贝尔奖的频率梳技术实现的,该技术首次在这里亮相,在高分辨率光谱中激发原子。

物理学被认为是一门精确的科学。这意味着物理理论的预测——精确的数字——可以通过实验来验证或证伪。实验是任何理论的最高裁判。量子电动力学,量子力学的相对论版本,无疑是迄今为止最成功的理论。它允许进行非常精确的计算,例如,氢原子的光谱描述精确到小数点后12位。氢是宇宙中最常见的元素,同时也是最简单的元素,只有一个电子。然而,它仍然承载着一个未知的谜团。

质子大小之谜

氢原子中的电子“感知”质子的大小,这反映在能级的最小变化上。几十年来,对氢的无数测量得出了一个一致的质子半径。但是对所谓的介子氢的光谱研究揭示了一个秘密,介子氢的电子被其重200倍的孪生子取代。这些测量是在2010年与Randolf Pohl合作完成的,Randolf Pohl当时是Hänsch教授(MPQ)激光光谱学系的组长,现在是美因茨约翰内斯古登堡大学的教授。

从这些实验中得到的质子半径值比普通氢的半径值小4%。如果所有的实验都被认为是正确的,那么与量子电动力学理论的矛盾就出现了,因为当所有的理论项都正确时,所有对μ子和普通氢的测量必须报告相同的质子半径。因此,这个“质子半径之谜”激发了世界各地新的精确测量。然而,尽管Garching和Toronto的新测量结果证实了质子半径更小,巴黎的测量结果再次支持之前的较大值。

比较测量

科学是在独立的比较中发展起来的。这就是为什么由Theodor Hänsch激光光谱学部门的Alexey Grinin, Arthur Matveev和Thomas Udem领导的Garching团队想要用一种完全不同的互补方法来测量和巴黎一样的转变。利用所谓的无多普勒双光子频率梳光谱学,他们现在成功地将精确度提高了四倍。现在对质子半径的测量结果比以前对氢的所有测量结果加起来还要精确两倍。这是量子力学第一次被检查到小数点后第十三位。用这种方法确定的质子半径值证实了质子半径较小,从而排除了作为原因的理论。因为对于相同的跃迁,无论理论如何,实验结果必须一致。下图(图1)显示了目前的情况。

在该图中,质子半径的不同结果是用飞强计[fm],即〖10〗^(-15)m进行比较。从普通氢的1S-3S跃迁得到的新值更接近于从μ氢的2S-2P跃迁得到的新值。尽管这种奇特的原子只能在百万分之一秒的短时间内产生,但它对质子半径特别“敏感”。因此它承受最小的测量误差(水平黑误差条)。对量子电动力学有效性的评价只有通过几个独立的测量结果进行比较才有可能。如果该理论及其应用是正确的,并且所有的实验都是正确进行的,那么质子半径的值必须在实验不确定度的范围内彼此一致。但事实并非如此,正如我们在图中所看到的。这一差异——质子之谜——的揭示揭示了一种可能性,即最精确的物理理论——量子电动力学可能存在一个根本缺陷。然而,新的结果表明,这个问题是实验性质的,而不是基本性质的。量子电动力学将再次成功。

频率梳光谱学的新里程碑

在这个项目中所执行的频率梳谱的成功也意味着科学上的一个重要里程碑。到目前为止,对氢和其他原子和分子的精确光谱学几乎完全是用连续波激光器进行的。相比之下,频率梳是由脉冲激光产生的。有了这种激光器,就有可能穿透到更短的波长,直到极紫外范围。对于连续波激光器来说,这似乎是一个无望的尝试。非常有趣的离子,比如类氢的氦离子,在这个光谱范围内有它们的跃迁,但即使在第一个量子理论发展100多年后,也无法精确地研究它们,也就是说用激光。现在提出的实验是改变这种不令人满意状况的必要步骤。此外,科学家们希望这些紫外线频率梳能使氢和碳等重要的生物和化学元素直接通过激光冷却,从而使科学家们能够以更高的精度对它们进行研究。

Originalpublikation:

氢原子双光子频率梳光谱,Alexey Grinin, Arthur Matveev, Dylan C. Yost, Lothar Maisenbacher, Vitaly Wirthl, Randolf Pohl, Theodor W. Hänsch, Thomas Udem, Science, 2020年11月27日:1061-1066
DOI: 10.1126 / science.abc7776

http://www.mpq.mpg.de/

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