:::
探索「新物理」的可能性－質子確實比較小
今天全球的物理學家正積極尋找質子大小註1之謎的解答。在行政院國科會多年的經費支持下，由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。若能解開這個質子大小之謎，則有探索”新物理”的可能性。
日前，包括台灣清華大學的國際研究團隊經由另一個緲子氫原子的躍遷(transition)，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CODATA (The Committee on Data for Science and Technology, 國際科學技術數據委員會)的差異擴大到7個標準差，並得到了質子的磁半徑(magnetic radius)。此結果發表在本年1月25日出版的Science期刊。
質子大小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，曾在2010年發現比過去所公認質子大小的值小了4個百分比。本次最新的實驗結果，經由另一組躍遷能階的量測，得到了緲子氫原子的超精細結構光譜，不僅確認了較小的質子大小，同時將精確度進一步加以提升，新的電核半徑為：0.84087(39)飛米註2。此結果與先前實驗方法所得相符，並有著相當的精確度。然而這個數據明顯地與現今的公認值0.8768飛米不一致，這不只背離了目前所有的相關理論與實驗，更讓百年來建立的原子物理學出現了矛盾與不一致，撼動了物理學的基礎與普遍認知。本次實驗成果中，也首次利用緲子氫原子的雷射光譜獲得了質子的磁半徑：0.87(6)飛米。這對於當前光與物質基本理論─即量子電動力學(Quantum electrodynamics, QED)的正確性，或是目前最精確的基本物理常數─雷德堡常數，都將面臨挑戰。
至今，眾多理論學家與實驗學家仍努力設法解開這個不一致的數據：稱之為質子大小之謎 (proton size puzzle)。過去以一般氫原子，或是電子-質子散射所進行的量測都因此發現而被重新分析、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。
劉怡維副教授所領導的原子操控實驗室屬於清華大學物理系AMO研究群(原子-分子-光學)，該研究群從基本物理定律的檢驗到尖端的量子資訊技術與飛秒雷射科技，在國際AMO物理學已經佔有顯著的位置，由於原子操控實驗室加入上述國際團隊實驗計畫超過十年，主要扮演著實驗雷射光源設計與建造的關鍵角色，並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，在許多不同的面向上參與實驗，特別是關鍵性的雷射系統與精密光譜技術，以結合新的碟型雷射(disk laser)科技與精密光譜技術，與各國際間的研究團隊建立起緊密的合作關係。
為了進一步了解，甚至解答，此一物理學中迫切的基本問題，目前物理學界正積極尋求新的實驗與數據。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。目前實驗已經在準備中，預計實驗結果將可以對解決質子大小之謎指出一個較為明確的方向。清華大學物理系原子操控實驗室(AMO研究群)很榮幸可以參加下一階段的緲子氦原子實驗，並期待能解開這個質子大小之謎的”新物理”。
註1:
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，也就造成質子的電核與磁性在空間上的分布。也就是質子的大小。質子大小量測可利用緲子(一個特性像電子，但是質量為其200倍，並且生命週期較短的基本粒子)與質子組合成緲子氫原子 ，透過雷射光譜學的方法，量測緲子氫原子的能階，也就能精確地決定了質子的大小。
註2:
0.84087(39)= 0.84087±0.00039；1飛米 = 1x10-15米。
:::
106214 台北市和平東路二段106號
電話:(02) 2737-7992
資訊系統服務專線：(02) 2737-7592
上班時間: 每週一到週五8:30 至 17:30
©National Science and Technology Council, 106, Sec. 2, Heping E. Rd., Taipei 106214, Taiwan, R.O.C.