物理学家们更接近解决质子半径拼图与独特的新测量

质子半径测量

PRad合作项目利用半个世纪以来第一个通过电子散射来测量质子大小的新方法,在能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施进行的一项实验中,对质子的半径产生了新的价值。来源:美国能源部杰斐逊实验室

物理学家通过对质子电荷半径的独特新测量,离解决质子半径之谜更近了一步。新的测量方法产生了更小的质子半径。

PRad合作项目利用半个世纪以来第一个通过电子散射来测量质子大小的新方法,在能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施进行的一项实验中,对质子的半径产生了新的价值。

在今天(2019年11月6日)发表的结果自然是通过电子散射实验得到的最精确测量结果之一。新得到的质子半径值为0.831 fm,小于原来的电子散射值0.88 fm,与最近的子原子光谱结果一致。

“我们很高兴我们的合作努力工作即将结束,这将有着良好的结果,这将对解决所谓的质子半径益智解决方案,”北卡罗来纳州A&T州立大学教授Ashot Gaspariar说:“the experiment’s spokesperson.

宇宙中的所有可见品质都建立在一个与强大力量的三个夸克束的云上。普遍存在的质子,坐在每个人的心脏原子它一直是许多旨在揭示其秘密的研究和实验的对象。然而,一项以均方根电荷半径来测量云团大小的实验得出了一个意想不到的结果,这一结果让原子物理学家和核物理家们联合起来,展开了一阵活动,重新检验质子的基本量。

在2010年之前,质子半径最精确的测量来自两种不同的实验方法。在电子散射实验中,电子在质子上拍摄,并且质子的电荷半径由电子在反弹或散射的质子之后的电子之后的变化确定。在原子光谱测量中,观察到通过电子的能量水平之间的过渡(以电子的形式由电子给出的),当它们绕核心时。通常被观察到的核包括氢气(用一个质子)或氘(用质子和中子)。这两种不同的方法产生了约0.88的剧菌素的半径。

2010年,原子物理学家宣布了一种新方法的结果。它们测量了在实验室制造的氢原子周围的电子能级之间的过渡,该氢原子用μs用μs替换的轨道电子,轨道更接近质子,对质子的电荷半径更敏感。该结果产生的值小于以前的4%,在约0.84剧表中。

2012年,由喘息的科学家合作,在杰斐逊实验室聚集在一起,以改造电子散射方法,希望生产新颖,更精确地测量质子的电荷半径。PRAD实验得到优先调度作为第一个采取数据的实验之一,并在核物理研究的DOE用户设施升级之后完成其运行。该实验在2016年在Jefferson Lab的实验厅B中取出了电子散射数据。

“当我们开始这个实验时,人们正在寻找答案。但要制作另一个电子质子散射实验,许多怀疑论者并不相信我们可以做任何事情,“艾斯佩莱卡说。“如果你想提出一些新的东西,你必须提出一些新工具,一些新方法。我们确实如此 - 我们做了一种与其他电子散射实验完全不同的实验。“

合作制定了三种新技术,提高了新测量的精度。首先是通过国家科学基金会主要研究授权的新型无窗目标系统实施,由Jefferson Lab的目标集团大大开发,制造和运营。

这个无窗的目标将冷冻的氢气直接流入CEBAF 1.1和2.2 GeV的加速电子流中,使得散射电子几乎不受阻碍地进入探测器。

“当我们说无窗口时,我们说该管对加速器的真空打开。这似乎是一个窗口 - 但在电子散射中,窗口是管末端的金属盖,那些已被删除,“Dipangkar Dutta,实验联合发言人和密西西比州州立大学教授。

“那么,这是人们第一次将气流目标放在杰斐逊实验室的梁线上,”杜克大学的实验共同发言人和亨利时尚教授海燕高。“真空是好的,所以我们可以通过我们的目标进行电子束来做实验,我们实际上在入口箔上有一个洞,另一个在出口箔中。基本上,梁刚通过直接通过氢气,没有看到任何窗口。“

下一个主要差异是使用量热计而不是传统使用的磁光谱仪来检测由辐射氢质子或电子的进入电子产生的散射电子。重新定位的混合热量计Hycal测量散射电子的能量和位置,而新建的气体电子乘数,宝石检测器也以甚至更高的位置检测到电子的位置准确性

然后实时比较来自两个探测器的数据,这允许核物理学家将每个事件分类为电子 - 电子散射或电子 - 质子散射。这种分类事件的新方法允许核物理学家将其电子 - 质子散射数据归一化到电子散射数据,大大减少了实验的不确定性和提高精度。

最后一个主要的改进是将这些探测器放置在从电子束撞击氢靶的角度距离中非常接近。合作能够将该距离降至不到一度。

“在电子散射中,为了提取半径,我们必须尽可能小的散射角度,”Dutta说。“为了获得质子半径,您需要推断到零角度,您无法在实验中访问。所以,你可以获得更越零的零。“

“我们探索的地区处于这样的前向角度,并且在这种小的四势传动方案方面,它从未在电子质子散射之前达成,”Idaho国家的实验联合发言人和教授加入Mahbub Khandakers和教授大学。

合作者说这个结果是独一无二的,因为它使用了一种通过电子散射来确定质子电荷半径的新技术。现在,他们正期待着将这一结果与新的质子半径光谱测定和即将在世界范围内进行的电子和介子散射测量进行比较。

此外,该结果还对新的性质的猜想揭示了新的自然力量,这是在质子半径拼图首先浮出水面的情况下提出的。

杜塔说:“2010年,当最初的质子半径谜题出现时,科学家们希望我们可能已经发现了第五种自然力,这种力在电子和介子之间的作用是不同的。”“但普拉德实验似乎排除了这种可能性。”

他们说,下一步是考虑使用这种新的实验方法进行进一步的调查,以实现对此和相关主题的更高精度测量,例如氘的半径,氘的核。

“有一段非常好的机会,我们可以通过两个或可能更多的测量来改善我们的测量,或者甚至更多,”高说。

参考:“质子电荷半径小的electron-proton散射实验”w . Xiong, A . Gasparian h .高,d·杜塔m . Khandaker n . Liyanage e . Pasyuk c .彭x呗,l .你们k . Gnanvo c .顾m . Levillain x, d . w . Higinbotham, m . Meziane z, k . Adhikari b . Aljawrneh h . Bhatt, d . Bhetuwal j·布洛克,诉德国宝得c·卡林A . Deur d . Di, j·邓恩,p . Ekanayaka l . el fassi b . Emmich l . Gan o . Glamazdin m . l . Kabir A . Karki c·基斯·科瓦尔斯基,诉Lagerquist,I. Larin, T. Liu, A. Liyanage, J. Maxwell, D. Meekins, S. J. Nazeer, V. Nelyubin, H. Nguyen, R. Pedroni, C. Perdrisat, J. Pierce, V. Punjabi, M. Shabestari, A. Shahinyan, R. Silwal, S. Stepanyan, A. Subedi, V. V. Tarasov, N. Ton, Zhang Y. and Z. w Zhao, 2019年11月6日,自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 019 - 1721 - 2

2的评论“物理学家们更接近解决具有独特新测量的质子半径拼图”

  1. 我同意质子半径的实验结果。但这是原子结构中质子的半径。原子球外质子的半径是多少?它一定是10^5倍大。

  2. Abed Peerally教授|2019年11月8日凌晨6:13|回复

    实际上我没有任何冒犯到谦虚知道的程度超过所有从事这种精彩地寻找质子半径的人。我建议研究人员继续在Muonic和电子质子上工作。即使在几分之馏方面比当前模型更为关键,我进一步鼓励他们更为关键。我可以向他们保证所有这些都在未来十年内有诺贝尔和其他奖品。请参阅我的两本关于宇宙的一切和起源的理论。在修改下,但在接下来的几个月内发表,因为修改证明非常棘手。

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