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物理学家新发现:质子实际上可能比人们长期认为的要小

2022-02-10 23:10     来源:cnBeta     质子 电子束 核技术

几年前,一种新的测量技术表明,质子可能比自20世纪90年代以来的假设要小。这一差异令科学界感到惊讶;一些研究人员甚至认为,粒子物理学的标准模型将不得不被改变。波恩大学和达姆施塔特工业大学的物理学家们现在已经开发出一种方法,使他们能够比以前更全面地分析较早和较近的实验结果。这项研究出现在《物理评论快报》上。

我们的办公椅、我们呼吸的空气、夜空中的星星:它们都是由原子组成的,而原子又是由电子、质子和中子组成的。电子是带负电的;根据目前的知识,它们没有膨胀,而是呈点状。带正电的质子则不同--根据目前的测量,它们的半径是0.84飞米。

然而,直到几年前,他们还被认为是0.88飞米--这个微小的差异在专家中引起了不小的轰动。因为它并不那么容易解释。一些专家甚至认为这表明粒子物理学的标准模型是错误的,需要加以修改。"然而,我们的分析表明,新旧测量值之间的这种差异根本不存在,"波恩大学亥姆霍兹辐射与核物理研究所的Ulf Meißner教授博士解释说。“相反,旧的数值受到了系统误差的影响,到目前为止被大大低估了。”

为了确定质子的半径,人们可以在一个加速器中用电子束轰击它。当电子与质子相撞时,两者都会改变其运动方向--类似于两个台球的碰撞。在物理学中,这个过程被称为弹性散射。质子越大,这种碰撞发生得越频繁。因此,它的膨胀可以通过散射的类型和程度来计算。

电子束的速度越高,测量就越精确。然而,这也增加了电子和质子碰撞时形成新粒子的风险。Meißner解释说:”在高速度或高能量下,这种情况发生得越来越频繁,“他也是跨学科研究领域"复杂系统的数学、建模和模拟"以及"物质的构件和基本相互作用"团队的成员。“反过来,弹性散射事件也越来越稀少。因此,对于质子尺寸的测量,人们迄今只使用电子具有相对较低能量的加速器数据。”

然而,原则上,产生其他粒子的碰撞也能为了解质子的形状提供重要线索。在高电子束速度下发生的另一种现象也是如此--所谓的电子-正电子湮灭。达姆施塔特工业大学的Hans-Werner Hammer教授说:“我们已经开发了一个理论基础,用这种事件也可以计算出质子半径。这使我们能够考虑到迄今为止被遗漏的数据。”

使用这种方法,物理学家们重新分析了来自较早的以及最近的实验的读数--包括那些以前建议的0.88飞米的数值。然而,用他们的方法,研究人员得出了0.84飞米的结果;这也是基于完全不同的方法的新测量中发现的半径。

因此,质子实际上似乎比20世纪90年代和2000年代假设的要小5%左右。同时,研究人员的方法还允许对质子及其不带电的“兄弟姐妹”--中子的精细结构有新的认识。因此,它正在帮助我们更好地了解我们周围世界的结构。

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