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    • 粒子阻力竞赛对质子质量的最精确估计

      粒子阻力竞赛对质子质量的最精确估计插图

      在这位艺术家的设想中,质子的质量是一团亚原子粒子,是自然界中最精确确定的常数之一。

      这是一个奇怪的小故事。两名物理学家将两个离子限制在一个电磁阱中,并让它们连续数周转圈,以精确地比较它们的质量。根据该测量值以及从另一个团队借来的测量值,他们得出了迄今为止最精确的质子质量估计值:1.007276466574 原子质量单位 (amu),正负 10 万亿分之一 amu。这个小数字可能很重要,因为准确了解质子的质量可以帮助科学家寻找新的力量。

      “这是一项非常漂亮的技术,”没有参与这项工作的中央密歇根大学核物理学家马修雷德肖说。阿姆斯特丹自由大学的原子和分子物理学家 Jeroen Koelemeij 对此表示赞同。“我相信他们只是因为提出了这个想法。”

      为了确定质子等轻原子核的质量,科学家们依靠高中生熟悉的物理学。将质子等带电粒子垂直发射穿过磁场,磁场会将其推向一边,使其以显示粒子质量的频率旋转。在实践中,为了提高测量的精度,物理学家比较了两种不同类型粒子的频率,以测量它们的质量比。

      例如,在 2020 年,佛罗里达州立大学的原子物理学家 Edmund Myers 和 David Fink 测量了一个氘核、一个由质子和一个中子组成的原子核以及一个电离的氢分子的质量比——两个化学键共享一个电子的质子。这两个粒子具有相同的电荷和几乎相等的质量,因此它们以几乎相同的频率运行,从而提高了测量的精度。

      为了使氘核和氢离子轨道在相同的条件下运行,迈尔斯和芬克将两者在同一个电磁陷阱中一次保持数周。他们将一个停在一个 4 毫米宽的大轨道上,同时他们测量另一个在陷阱中心 40 微米宽的轨道上旋转,每 10 分钟交换一次。然而,即使是这种技术也不足以确保两种粒子的测量结果完全具有可比性。“在那 10 分钟内,磁场会发生变化,”迈尔斯说。

      Myers 和 Fink 现在已经解决了这个问题。复活了麻省理工学院 20 年前开发的一项技术,他们同时旋转陷阱中心的氘核和氢离子,因此它们穿过完全相同的磁场。研究人员比较离子频率的精度是以前的四倍。他们在《物理评论快报》上发表的一篇论文中报告说,使用一些理论结果使他们能够确定氘与质子的质量比为万亿分之 4.5。

      “Ed 不喜欢吹自己的小号,但这是迄今为止最精确的质量比测量之一,”Redshaw 说。

      最后,为了估计质子的质量,迈尔斯和芬克将他们的比率与去年由马克斯普朗克核物理研究所的物理学家领导的一项合作发表的极其精确的氘核质量测量结果相结合。(该团队使用陷阱来比较氘核和碳 12 离子的轨道频率,根据定义,碳 12 原子的质量恰好为 12 amu。)新的质子质量估计具有五分之一的不确定性国际科学理事会数据委员会 (CODATA) 列出的官方平均值和马克斯普朗克集团世界领先测量值的三分之一。三个结果都一致。

      那么,是时候确定质子质量的新值了吗?也许还没有,迈尔斯说。他和芬克通过使用电子束从氢分子中敲出一个电子,从而产生了被捕获的氢离子。这个剧烈的过程使离子以内能振动和旋转。正如阿尔伯特·爱因斯坦的相对论所说,能量相当于质量——并略微增加了离子的测量质量,迈尔斯和芬克必须纠正这种影响。

      根据量子力学,离子中的振动或旋转能量以离散的步骤出现。实验者可以观察到离子的质量随着它一步一步地辐射振动能量而减少。但是为了估计每一步有多少旋转能量,迈尔斯和芬克依靠基于理论的推论,引入了一些不确定性。

      Redshaw 说,即使团队没有完全正确地分配这些任务,数据表明其对质子质量估计的不确定性可能不会超过约 16 万亿分之一,这是迄今为止最精确的值。Koelemeij 说他的团队正在使用激光来产生和捕获处于已知振动和旋转状态的氢离子。他说,这种技术可能会与 Myers 和 Fink 相结合,以进一步降低不确定性。

      质子和氘核质量的超精密测量可用于预测由氘核和氢原子组成的分子的量子态,这可由激光探测。与预测的任何偏差都将是新物理现象的迹象,例如额外的自然力。尽管不太可能,但这样的发现将使所有物理学陷入困境。

      广东·东莞
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