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以创纪录的精度测量氦原子核

原子核 激光光谱 α粒子
发布:2021-01-28 11:02:28    

氦是仅次于氢的第二大最丰富的元素。它最常见的同位素氦4的原子核由两个质子和两个中子组成,被称为α粒子。该粒子比其他轻原子核更紧密-例如,它比仅包含一个质子和一个中子的氢同位素氘的核小约20%。由于十多年的实验表明质子的半径比想像的要小得多,因此α粒子的确切尺寸特别令人关注。这一结果导致人们对粒子物理学标准模型中可能遗漏的碎片进行了很多猜测。Krauth等人在《自然》中报告了α粒子的确切尺寸,为核结构理论提供了基准。

作者使用称为激光光谱的技术测量了α粒子的大小。这种方法基于这样一个事实,即原子只能以离散的频率发射和吸收光,该频率由原子结构的细节(即带负电的电子与带正电的原子核以及彼此之间的相互作用)决定。质子组成原子核的带电部分。质子的数量决定了元素,其空间范围由称为核电荷半径的属性表征,该属性定义了原子核的大小。

吸收和发射的确切频率稍微取决于电荷半径。因此,如果对原子结构的理解足以充分准确地计算出影响频率的所有其他因素,则可以确定此属性。尽管在该领域已经取得了实质性进展,但目前仅对两体系统(即与原子核结合的单个电子或类似粒子)才可能进行这种确定。添加另一个粒子会导致复杂性的极大增加,并且目前无法进行量子力学计算。因此,以前已经使用激光光谱法直接提取仅质子和氘核的大小。

Krauth及其同事使用了一种巧妙的方法将这种方法应用于α粒子。他们将带负电荷的mu子(较重的电子表亲)注入低密度的氦气中。介子与气体之间的碰撞导致介子损失能量,并允许给定的介子替换氦原子中的两个电子之一(图1)。然后,这种介子损失了更多的能量,并靠近原子核。在此过程中,第二电子从原子中喷出,产生一个由α粒子和μ子组成的带正电的离子。


 

图1 测量氦核的大小。 a,氦原子的原子核,也称为α粒子,包括两个质子和两个中子,被两个电子包围。Krauth等进行了一项实验,在该实验中,μ子(电子的重表亲)射出并置换了氦原子中的一个电子。b,该介子逐渐移近原子核,并从原子中射出第二电子。C,这个过程的结果是产生了一个铵离子-一种由α粒子和μ子组成的带正电的离子。作者在该离子形成后不久就向其发射激光。在某些情况下,介子然后移动到更靠近原子核的位置,并产生单个X射​​线光子。通过分析这种X射线发射,作者以前所未有的精度确定了氦核的大小。

从理论上可以非常精确地确定该离子型氦离子的原子结构。而且,由于介子的质量约为电子的质量的200倍,因此与电子相比,束缚子与氦原子核的结合度约为200倍。结果,当使用离子氦离子而不是普通的单电荷氦离子时,激光光谱对α颗粒的敏感度大约是八百万倍。这种非凡的敏感性证明了当前工作需要进行大量的实验工作。

介子在衰变成电子和难以捉摸的中微子粒子(go.nature.com/3twyjba)之前仅存在两微秒。因此,Krauth等。必须检测进入其实验室的每个单独的介子,并可能导致介子氦离子的形成。然后,他们需要发射一种在此muonic-helium离子形成的1微秒内具有确定频率的激光器(图1)。最后,他们必须检测成功的激光激发后从离子发出的单个X射线光子,以及由μ子衰变产生的电子。在正确的激光频率下,每小时大约可检测到8个事件,因此需要与其他原子过程相关的大约50,000个事件区分开。

这项英勇努力的结果是确定α粒子半径的精确度仅为一个attometre(10至18  m),大约是质子半径的1000倍。该值比基于电子-氦散射的测量精度高约五倍。尽管这一发现听起来可能相当学术,但对于基础物理学的多个领域来说却很重要。特别是,第一次,来自于原子离子的激光光谱和电子散射的结果非常吻合,质子或氘核却不是这样。

对于质子半径,从mu离子氢获得的2值比从其他方法(包括普通氢的电子散射和激光光谱法)获得的先前接受的值小约4%。质子-半径难题导致了许多关于介子与标准模型3中未包含的其他粒子之间相互作用的过程的理论。但是,关于氦气的协议排除了其中的一些推测过程,因为没有理由为什么它们不应在离子氦以及离子氢和离子氘中出现。

克劳斯(Krauth)及其同事的测量结果也可以用于改善从头算核结构模型。原子结构由众所周知的电磁相互作用决定,而核结构则由强大的核力控制,而核力要复杂得多。原子核中的质子和不带电的中子(统称为核子)具有复杂的内部结构。每个核子由三个基本粒子(称为夸克)组成,它们被强大的力绑在一起。原子核本身受到残余强力的约束,该强力持续存在于核子边界之外,并且仅在小于一个飞米(10–15  m)的距离内起作用。

物理学家还没有一种理论可以在夸克级的描述基础上解释核结构。相反,他们依靠从头算的核结构模型,这些模型考虑了单个核子之间的“有效”力。这些模型的制定需要了解一些描述轻核系统的关键参数。现在获得的α粒子的电荷半径可以用作这样的参数。

作者的结果还为计划进行的实验提供了基准,该实验将能够精确测量比氦重的元素的核电荷半径。一旦可以获得两电子(类氦)系统所需的量子力学计算,就可以实现该目标。理论7和实验8正在朝这个方向努力。测得的氦气电荷半径将成为进行此类计算的理想测试案例。如果达成协议,则应该有可能通过对它们各自的氦样离子进行激光光谱分析,确定从锂到氮的至少所有稳定同位素的电荷半径。这样的离子可以在小型实验室实验中以比在大型粒子加速器设施上研究相应的声子系统所需的工作量少得多的努力来产生。

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