Julia's Blog

質子確實比較小

清華大學物理系參與的國際研究團隊，

透過奇異氫原子的雷射光譜確認了質子確實是出乎意料的小。

質子的大小，在2010年經由包括台灣清華大學在內的國際團隊，

透過緲氫的精密雷射光譜，發現比過去所公認的數值小了

四個百分比。

該結果讓物理學的基礎出現了裂縫。

至今，即使在眾多理論學家與實驗學家的努力之下，

仍然無法解決這個不一致。

稱之為：質子大小之謎 (proton size puzzle)。

日前，該團隊經由另一個緲氫原子(muonic hydrogen )的躍遷，

再次量得質子的大小為：0.84087(39)飛米，

與之前的數據相符，但將精確度提高了1.7倍，

與CODTATA的差異擴大到7個標準差，

並得到了質子的磁半徑(magnetic radius)。

也因此更加深化了質子大小之謎。

此結果發表在 2013 年1月25日出版的Science期刊。 

質子，由三個夸克所組成，是一個有著空間展延的物體。

帶著電核與磁性的夸克，在空間上的組合方式，

造成質子的電核與磁性在空間上的分布。

就是質子的大小。

該研究團隊利用緲子( muon)

(一個特性像電子，但是質量為其200倍，生命週期較短的基本粒子)

與原子核組合成緲子氫原子(muonic hydrogen )，

透過雷射光譜學的方法，量測緲子氫原子的能階，

精確地決定了質子的大小。

在這樣的奇異原子中，

緲子較大的質量使得它比一般氫原子中的電子更加接近質子，

也就強烈地受到質子的影響，進而造成能階的位移。

該實驗利用瑞士保羅謝勒研究所的加速器所提供的

高照度緲子束產生緲子氫原子，

結合新的碟型雷射(disk laser)科技與精密光譜技術。

此結果與其他實驗方法所得相符，並有著相當的精確度。 

今天全球的物理學家正積極尋找質子大小之謎的解答。

過去以一般氫原子，或是電子-質子散射所進行的量測

都被重新分析、檢視，甚至將重啟過去的實驗。

來自不同領域的理論物理學家也試圖從不同的角度

來解釋這項物理學中的不一致，

包括超越標準模型的有趣理論架構。

或是設想比現今更加複雜的質子結構，試圖在理論上進行補救。

然而，這些都需要新的實驗加以驗證。

在未來，新的國際研究團隊CREMA，包括清華大學物理系在內，

將利用既有的實驗設備加以改良，進行緲子氦原子的實驗。

Original publication:

"Proton structure from the measurement of 2S − 2P

transition frequencies of muonic hydrogen "

Science  25^th January 2013  

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質子大小之謎(The proton size puzzle)始於同一研究團隊

於2010在自然(Nature)期刊上所發表的一篇論文

(The size of the proton)(Vol.466 page 213-216)，

該論文被選為當期封面，至今已超過130個引用。

(資料來原: 清華大學物理系)

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The muon

is an elementary particle similar to the electron,

with an electric charge of −1 e and a spin of 1/2,

but with a much greater mass.

It is classified as a lepton.

The muon is an unstable subatomic particle

with a mean lifetime of 2.2 μs,

much longer than many other subatomic particles.