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物理新知:質子有多大?

2017/4/9 — 9:00

【文:陳勁豪博士】

作者簡介:臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心專案計畫助理研究員

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一個國際團隊對一個由緲子所結合的緲氘原子進行了仔細的光譜測量,並進而測量出氘原子的半徑。他們發現氘原子的半徑比過去的測量結果更小,進而推出質子的半徑也比過去的測量來的更小。

質子是地球上最常見的基本粒子,也是構成物質宇宙最重要的成份。當它與電子結合後會形成氫原子,是宇宙中含量最豐富的元素。而質子與中子結合,形成各式各樣的元素,構成了世上萬物。由於質子的重要性,與質子容易取得的性質,質子是物理學家研究的最透徹的基本粒子之一。

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但是質子到底有多大?這個看似簡單的問題其實相當難回答。因為質子雖然是由三個夸克所構成,但是質子的半徑不太容易被測量,所以物理學家測量質子半徑的作法是透過測量氫原子的光譜。氫原子的光譜由電子在不同的能階躍遷中決定,而能階大小與質子半徑有關,由此透過精準測量氫原子光譜就可以決定出質子的半徑。

更精準的測量氫原子半徑的方法是把氫原子中的電子換成緲子。緲子可以說是電子的兄弟,除了質量是電子的約兩百倍之外,其他一切性質都與電子相同。當緲子與質子結合的時候,由於緲子比電子重兩百倍,因此緲子的軌道會比電子的軌道近約兩百倍,因此能夠更為敏感的偵測到質子的半徑。根據這個方法,在 2010 年物理學家發現用這種方法測量到的質子半徑比當時的公認值小了大約 4% 。換句話說,質子變小了。

為了更進一步驗證這個實驗結果,這個實驗團隊運用了類似的方法在緲氘系統上,以測量氘的電荷半徑。氘是氫的同位素,由一個質子與一個中子所組成。把氘原子中的電子換成緲子,然後透過精確測量 2S 到 2P 的躍遷頻率,可以推導出氘的電荷半徑。

測量結果發現,用緲子代替電子後,可以有效的降低測量的誤差,得到比目前公認值更精準的結果: 2.12562(78) fm。但是目前的公認值是 2.1424(21)fm ,表示這次的新測量結果所得到的電荷半徑又再次小於公認值,而且差距高達 7.5 個標準差。用這個新結果還可以計算出質子的半徑,得到的數字比較接近由緲子-質子系統測量到的結果,而與氫原子的結果不吻合。

所以質子到底有多大?它的半徑大小會隨著環繞的是電子或是緲子而改變嗎?還是我們對氫原子中,質子與電子(或緲子)的認識還不夠仔細,導致理論計算還有不足的地方?還是實驗方法還有尚待改進之處?無論如何,破解這些謎團都可以增加我們對質子的認識,甚至有可能是發現新物理的徵兆。

原始論文:
The CREMA Collaboration & et al. (2016). Laser spectroscopy of muonic deuterium. Science 2016 Aug 12;353(6300):669-73. doi: 10.1126/science.aaf2468

相關報導:
Physics World, Proton radius mystery deepens as deuterium measurement comes up short, 17 August 2016

原文刊於合作媒體《物理雙月刊

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