2010年7月12日
多年来,和他的同事们认为他们的测量仪器是伦道夫波尔不够准确:他们首先执行一个实验来确定大小的质子早在2003年,但他们没有发现信号将为他们提供相关的见解。
“这不是我们的方法的准确性,但事实是我们没有料到如此大的偏差,“说。伦道夫波尔研究人员因此选择太小的测量窗口。”是件好事,然而,我们已大大改善了我们的方法,否则人们不会相信我们现在,“继续波尔。
和他的同事们在伦道夫波尔国际合作有质子的电荷半径测量的精度比1000 femtometre。这是半径的带正电的氢核假设。为此,他们调查了小细节在原子结构,使用μ介子氢,它不是一个电子,而是一个更重的μ介子轨道细胞核(见“背景:质子的统治者”)。测量结果表明,氢核措施0.8418 femtometre。结果的误差外,物理学家已经应用于以前的测量质子半径的5倍。
在测量室质子:子光束通过环形电极从左边。在两者之间的空间下的灰色金属酒吧窗格玻璃μ介子对气态氢的影响,取代电子的原子。这个过程设备寄存器和发射激光通过底部的洞酒吧到μ介子氢为了揭示原子结构的细节,从而最终质子的半径。图片:量子光学/ MPI伦道夫波尔。
即使在日常范围内偏差可以忽略不计,它可能有重大的后果。人员也无法精确地这些可能是什么,然而。可以肯定的是,这改变了里德伯常数。量子物理学家利用这个常数来计算能量包原子和分子吸收和发射时改变他们的状态。这些能量包对应元素的谱线。现在的计算谱线明显转变,不再匹配实验研究结果。
理论家现在寻找误差计算
“既然Rydberg常数是最准确地确定基本常数到目前为止,它是坚如磐石,“说。伦道夫波尔如果所有基本常数的物理学家画一个自洽的图,其他的基本常数如普朗克常数或电子的质量只能移动Rydberg常数。这个石头被移动略很难打动其他基本常数:他们已经决定一样完全Rydberg常数,所以他们可能不会觉得混蛋。然而,这个测试仍悬而未决。
“我们也要非常小心,更深远的影响,”波尔说。许多理论家世界各地现在重新计算量子电动力学的预测与新的质子半径。这个量子理论描述了原子,电子,基本粒子和其他玩家在这个小世界,电磁场是在此过程中创建的。欧洲杯猜球平台它还提供了一个质子半径的值与实验数据进行比较,但这是远远高于现在的测量。“我认为已经在计算错误,因为量子电动力学的理论非常一致,已经严格证明,”波尔说。如果不是这种情况,略有变化的质子半径将触发地震在物理学中,这将至少导致相当大的“断层线”这一理论。
当理论家现在正试图弄清真相的神秘错误质子半径模型,来自研究者和他们的同事检查新与氢原子上的进一步的实验测量结果。他们还希望重新设计他们的试验装置,这样他们也可以测量氦原子核的电荷半径。这些调查也打算告诉他们一些关于原子核是如何变形,当他们与一个负电荷。这样物质的物理学家想发现确切的结构循序渐进的希望,当然,遇到更多的物理的奥秘。
背景:一个质子的统治者
为了测量质子的电荷半径,研究人员使用一个氢原子中的电子相互作用和考虑最小的原子结构的细节:带正电的原子核吸引电子,原子核周围不同的贝壳。电子的能量增加时跳跃到下一个最高的壳。在第一壳它只能在一个轨道:s轨道,围绕着原子核像一个球体。当电子爬向上壳壳,每一次额外的空间可用。在第二个壳,例如,它可以占领不仅球形s轨道,而且p轨道形成哑铃状结构在原子核周围。
在最简单的模型,一个原子的电子具有相同的s轨道的能量是在p轨道。在现实中,然而,在p轨道的能量是略高于s轨道。物理学家称之为小能量差距兰姆移位。德国物理学家们针对这个小缺口。其存在的一个原因是,质子不是一个无限小的点,而是一个微小的球体。如果电子占据p轨道,电子不觉得这,因为两个哑铃的棒状的端位于外的原子核,电子因此从未在细胞核内。的情况完全不同的s轨道的领域:电子也不断花时间在原子核本身——原子核和电子的电荷彼此抵消。这降低了细胞核的平均吸引力,因此电子的能量。
在传统的氢原子的影响很小,几乎没有明显的即使在最准确的测量。保罗谢勒研究所的瑞士小镇Villingen来自物理学家们因此产生的μ介子氢的μ介子取代了电子。子具有相同的负电荷的电子,但重约200倍。原子的总直径从而减少,平均而言,μ介子花更多的时间在核问题s轨道的能量也经历一个更强的转变。研究人员测量能量差给电子能量推动激光,所以它跳跃的s轨道第二壳到p轨道。
这是原则。为了测量能量差,仍然是小甚至在μ介子氢,物理学家使用必须伦道夫波尔解决一些实际问题。他们不仅需要一个激光的波长可以非常精确的设置。一点一点地改变它的能量,直到它精确匹配两个轨道之间的过渡。激光也必须公布其脉冲在不到1000000秒后收到了命令。这是放置仪器的探测器就注册一个μ介子的氢原子。
在99%的情况下,氢原子的μ介子立即陷入积极有利的s轨道的第一个壳。因此激光主要火灾粒子没有使用研究者的真正目的。欧洲杯猜球平台设备注册一个原子的μ介子仍然是s轨道的第二外壳只有每小时六到七倍。“你可以坐几个小时在屏幕前,几乎没有任何事情发生,“说。伦道夫波尔然后只需要1000000秒,直到子从第二到第一瀑布,大力更有利的壳。来自研究人员使用各种技巧来教他们的激光900/1000000000秒的反应时间,从而使测量可能在第一个地方。
研究人员花了几个月后设置在保罗谢勒研究所和微调装置,他们最终测量三个星期没有休息。只有这样他们搬μ介子的s轨道的p轨道第二壳以至于明显可见的光谱峰值。然后只剩下计算。“方程是非常困难的,”波尔说,但是,最后,他们抵达质子半径的值更准确的十倍,目前集量子理论家的新任务。
来源:马克斯·普朗克协会