物理

奇異原子揭露質子大小事

本想透過奇異原子的光譜測量,找出精確的質子半徑,卻意外發現測出的數值比以往的要小。質子半徑之謎是否隱藏了新物理的徵兆?

撰文/劉怡維、陳姿伶

物理

奇異原子揭露質子大小事

本想透過奇異原子的光譜測量,找出精確的質子半徑,卻意外發現測出的數值比以往的要小。質子半徑之謎是否隱藏了新物理的徵兆?

撰文/劉怡維、陳姿伶

重點提要
■在精確描述原子內的作用時,必須考量質子的大小,因為質子的半徑多少影響了能階的移位。
■2012年,我們再次測量了質子半徑,除了得到了較小的數值外,亦推算出質子的磁偶半徑。它們之間的不一致,是否就是發現新物理的曙光?
■奇異氦離子的光譜測量可能幫助我們獲得更精確的質子半徑,也能協助我們檢驗束縛態量子電動力學的理論計算結果,進而解開質子大小之謎。

2012年,位於瑞士日內瓦的大強子對撞機找到了稱為「上帝粒子」的希格斯粒子(Higgs particle),它是「標準模型」理論最後的一塊拼圖,標準模型是至今描述宇宙最完備的理論。因此,物理學已經完成了嗎?在物理發展的歷史中,這個問題不只一次被提出來。然而,宇宙的豐富總是一次又一次證明了人類知識的局限,宇宙會在何處把新的物理秘密透露給我們?超越標準模型的新物理又在哪裡?

在發現希格斯粒子的高能物理實驗中,人類的視野可以透過「巨大能量」的加速器擴展開來,超越自身的時空限制,但也可以透過「高精密測量」挖掘出隱藏的物理密碼,見微知著。英國詩人布雷克(William Blake)說:「一粒沙中見世界,一朵花中見天堂。」在近代物理的發展史中,透過氫原子光譜的高精密測量與理論的比較,揭開了整個量子物理學的發展。這些都是實驗學家煞費苦心的結晶,為的是檢驗物理學的基本理論,進而發現新物理。

看見質子的尺寸秘密

現今以量子力學為骨幹的物理理論對於這個世界的描述大致上是正確的;不僅如此,它也同時描述了原子裡的現象,像是一般在計算原子能階時,會先把質子視為一點(point-like),若要非常真實地描述原子裡的作用,便不能將之視為一點。實際上,質子是由三個夸克所組成並藉由膠子束縛在一起而形成的一團粒子,因此它有著有限的大小,而這個大小或多或少影響了能階的移位。

理論學家把能階視為電子雲與原子核的平均距離,做計算時由大而小,先考慮主能階的位置,再來考慮電子總角動量後能階是如何分裂,即精細結構(fine structure)。接下來若要把能階計算得更精確,就必須進一步考慮與原子核自旋角動量相關的超精細結構(hyperfine structure),以及不同電子軌域角動量造成的能階差。後者稱為藍姆移位(Lamb shift),而量子電動力學在這個現象上的預測獲得了極大的成功。考慮了質子半徑再加上量子電動力學的預測後,理論學家就能得到足夠精確的能階位置。

實驗學家的工作則是用「足夠精準」的實驗結果去與「足夠精準」的理論計算做比較,藉此驗證量子電動力學的正確性。這類的實驗,不只是測量,而且要精準地測量!如果以不精準的實驗結果與不精準的理論計算做為驗證的工具,就像兩把模糊的尺相互比較,很難看出彼此的矛盾。當然,實驗學家真正的野心絕對不僅僅在於驗證現有理論,我們更渴望證明它的不完備,進而發現新物理。

這幾年來,用簡單原子精密光譜實驗做為測試量子電動力學的方法,卻漸漸不太管用,主要原因是能階計算的精確度受限於質子半徑的不準確性。但奇異氫原子(exotic hydrogen)的光譜測量打開了另外一扇測試量子電動力學與測量質子半徑的大門。奇異氫原子與氫原子相似,只是把氫原子中的電子換成了比電子質量重207倍的緲子(因此奇異氫原子又稱為緲子氫原子),於是緲子雲會更靠近原子核,質子的大小對於能階移位的影響也會更加明顯。