质子比想象的还小——物理定律可能因此改写

发布: 2010-11-19来源: 原创 华夏地理

Kate Ravilious为国家地理新闻供稿

翻译：国家地理翻译小组smilecam

审校：cathelindan

本图的中心是个原子，里面的红色和蓝色小球分别代表质子和中子

——图片由Dorling Kindersley, Getty Images提供

组成原子的质子可能比我们想象的还小-这个意外的发现有可能改变一些已经取得最广泛认同的物理定律。

     所有的原子都是由原子核和核外电子组成的。 原子核是由中子和质子构成的，而它们自身又是由夸克粒子组成的。

    几年来质子的半径一直被认为是0.8768飞米（1飞米=10-15米）。

      质子的大小是构成电子动力学公式的一个关键值。电子动力学是一个具有60年历史的理论，是粒子物理学标准模型的里程碑。 标准模型描述了除重力以外的各种力是怎样影响亚原子粒子的。

     但目前质子半径值的精确度仅为正负百分之一，达不到使量子电动力学（QED）理论正确应用的要求。 因此，物理学家一直在寻找新的方法以求使这个数值更加精确。

激光发现更小半径质子

    在一个历时10年的实验中，由德国加尔兴马普量子光学研究所Randolf Pohl 领导的实验小组，用一种特殊的粒子加速器来改变只有一个质子和电子组成的氢原子的速度。

他们用质量比电子大200倍的介子替换每个氢原子的电子。

    “因为介子质量比电子大得多，所以它的旋转轨道离质子非常近，从而对质子大小非常敏感”瑞典保罗薛瑞研究所的一名成员Aldo Antognini说。

    介子不稳定，只要2.2微妙的时间就会发生衰变而没入其他的粒子。 在介子衰变前用激光照射原子会激发介子，从而使它进入高能级-离质子更远的轨道。 然后介子会以X射线的形式释放多余的能量并跃迁到低能级

    能级之间的距离是由质子的大小决定的，进而决定了X射线的频率。

   但是，实验所得X射线的频率却与根据公认的质子半径计算的理论值不相符。

     2009年夏天，这个小组决定把研究范围扩大至其它可能的质子半径。 令他们惊讶的是，当把质子半径设定为0.8418飞米（比期望值小4%）时，科学家也检测到了X射线

"我们感到非常惊讶，直到现在也没有得出合理的解释" Antognini 说。

     这个有关质子的发现，不会影响大多数人的日常生活。 但如果这个被验证是正确的，粒子物理学的一些基本理论就会被颠覆。

     小质子可能意味着里德伯常数测量错误。 这个常数是光谱学的一个关键组分，用来描述光是由那种元素发射的。例如可用它来判断星系和星云（星际间的气尘云）存在的元素。

或者，如果里德伯常数测量正确的话，质子半径变小说明QED公式不正确。"这是一个重大的新发现，可能意味着对QED彻底的重新思考并开启通往另一个新理论的大门" Jeff Flowers说。他是英国 国家物理实验室 的一名科学家，没有参加这个实验。

    在接下来的几个星期，全世界的物理学家将仔细检查整个实验设定和那些复杂的计算，以确保没有任何错误。

    如果没有发现错误的，科学家必须重新建立标准模型。