新的測量產生較小的質子半徑

PRad協(xié)作使用了半個世紀以來通過電子散射測量質子尺寸的第一種新方法，在能源部的托馬斯·杰斐遜國家加速器實驗室進行的一項實驗中，質子半徑產生了新的價值。

最近發(fā)表在《自然》雜志上的結果是通過電子散射實驗測得的最精確的結果之一。所獲得的質子半徑的新值是0.831 fm，小于先前的電子散射值0.88 fm，并且與最新的muonic原子光譜法結果一致。

北卡羅萊納州A&T州立大學教授Ashot Gasparian說：“我們很高興多年的合作努力即將結束，并取得了良好的結果，這將對解決所謂的質子半徑難題至關重要。”實驗的發(fā)言人。

宇宙中所有可見物質都建立在由三個夸克組成的云中，這些夸克結合了強大的能量。遍布每個原子的心臟的無處不在的質子，已經成為旨在揭示其秘密的眾多研究和實驗的主題。然而，一項根據(jù)云的均方根電荷半徑來測量云的大小的實驗出乎意料的結果使原子物理學家和核物理學家聯(lián)合起來進行了一系列活動，以重新檢查這一基本數(shù)量的質子。

在2010年之前，質子半徑的最精確測量來自兩種不同的實驗方法。在電子散射實驗中，電子在質子處被發(fā)射，質子的電荷半徑由電子從質子反彈或散射后的路徑變化決定。在原子光譜測量中，當電子圍繞一個小原子核旋轉時，可以觀察到它們之間的躍遷(以電子釋放的光子的形式)。通常觀察到的核包括氫(帶有一個質子)或氘(帶有質子和中子)。這兩種不同的方法產生的半徑約為0.88飛米。

2010年，原子物理學家宣布了一種新方法的結果。他們測量了圍繞實驗室制造的氫原子的軌道中電子的能級之間的躍遷，該氫原子用μ子取代了軌道電子，μ子的軌道更接近質子，對質子的電荷半徑更敏感。該結果產生的值約為0.84飛米，比以前小4%。

2012年，由加斯帕里安(Gasparian)領導的科學家合作，在杰斐遜實驗室(Jefferson Lab)進行了一次技術合作，以改進電子散射方法，以期對質子的電荷半徑進行新穎且更精確的測量。在對連續(xù)電子束加速器設施(用于核物理研究的DOE用戶設施)進行升級之后，對PRad實驗進行了優(yōu)先調度，這是第一個獲取數(shù)據(jù)并完成其運行的實驗之一。該實驗于2016年在杰斐遜實驗室的實驗廳B中獲取了電子散射數(shù)據(jù)。

加斯帕里安說：“當我們開始這個實驗時，人們正在尋找答案。但是，要進行另一個電子-質子散射實驗，許多懷疑論者不相信我們可以做任何新的事情。” “如果想提出新的東西，就必須提出一些新的工具，某種新的方法。而我們做到了—我們進行的實驗與其他電子散射實驗完全不同。”

合作組織建立了三種新技術，以提高新測量的精度。首先是新型無窗目標系統(tǒng)的實施，該系統(tǒng)由美國國家科學基金會重大研究儀器基金資助，并且很大程度上由杰斐遜實驗室的目標小組開發(fā)，制造和運營。

無窗目標將冷凍氫氣直接流入CEBAF的1.1和2.2 GeV加速電子流，并使散射電子幾乎不受阻礙地移動到探測器中。

“當我們說無窗時，我們說的是管子對加速器的真空是開放的。這看起來像是一個窗口，但是在電子散射中，窗口是管子末端的金屬蓋，那些已經實驗發(fā)言人，密西西比州立大學教授Dipangkar Dutta說。

“這是人們第一次真正在杰斐遜實驗室將氣流目標放在束流線上，”杜克大學實驗聯(lián)合發(fā)言人，亨利·紐森教授高海燕說。“真空度很好，因此我們可以讓電子束穿過目標進行實驗，實際上我們在入射箔上有一個孔，在出口箔上有一個孔。本質上，電子束剛好直接穿過氫氣，看不到任何窗戶。”

下一個主要區(qū)別是使用量熱儀而不是傳統(tǒng)上使用的磁能譜儀來檢測由于入射電子撞擊氫的質子或電子而產生的散射電子。重新設計的混合量熱計HyCal測量了散射電子的能量和位置，而新建的氣體電子倍增器GEM檢測器也以更高的精度檢測了電子的位置。

然后，將來自兩個探測器的數(shù)據(jù)進行實時比較，這使核物理學家可以將每個事件分類為電子-電子散射或電子-質子散射。這種對事件進行分類的新方法使核物理學家能夠將其電子-質子散射數(shù)據(jù)歸一化為電子-電子散射數(shù)據(jù)，從而大大減少了實驗不確定性并提高了精度。

最后的主要改進是將這些檢測器的位置與電子束撞擊氫靶的角度距離非常近。通過合作，該距離可以降至不到一度。

杜塔說：“在電子散射中，為了提取半徑，我們必須使散射角盡可能小。” “要獲得質子半徑，您需要外推到零角，這在實驗中是無法獲得的。因此，越接近零，越好。”

“我們探索的區(qū)域具有如此大的前向角，并且具有如此小的四動量傳遞平方，以至于它在電子-質子散射中從未達到過，”愛達荷州立大學的實驗副發(fā)言人兼教授Mahbub Khandaker補充道。大學。

合作者說，結果是獨特的，因為它使用了一種通過電子散射的新技術來確定質子電荷半徑?，F(xiàn)在，他們期望將結果與質子半徑的新光譜測定結果以及即將在全球范圍內進行的電子和μ子散射測量結果進行比較。

此外，這一結果也為質子半徑難題首次浮出水面時提出的新自然力的猜想提供了新的思路。

杜塔說：“當最初的質子半徑難題于2010年問世時，社區(qū)中就有希望，也許我們已經找到了自然的第五種力，這種力在電子和介子之間的作用不同。” “但是PRad實驗似乎為這種可能性關閉了大門。”

他們說，下一步是考慮使用這種新的實驗方法進行進一步的研究，以在該主題和相關主題(例如氘核的半徑，氘核)上獲得更高的精度。

高說：“很有可能我們可以將測量結果提高兩倍甚至更多。”