物理学家们更接近解决质子半径拼图与独特的新测量

在半个世纪中使用第一种新方法通过电子散射测量质子的大小，PRAD协作在能源托马斯杰斐逊国家加速设施部门进行的实验中产生了新的质子半径。

在半个世纪中使用第一种新方法通过电子散射测量质子的大小，PRAD协作在能源托马斯杰斐逊国家加速设施部门进行的实验中产生了新的质子半径。

今天（2019年11月6日）在Journal Nature中发表的结果是从电子散射实验中测量的最精确之一。获得的质子半径的新值为0.831 fm，小于先前的电子散射值0.88 fm，并与最近的Muonic Atomic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：“实验的发言人。

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。占据了每个原子的核心的普遍存在的质子一直是旨在揭示其秘密的众多研究和实验的主题。然而，在实验中衡量这一云的大小的意外结果，就其根均方电荷半径具有联合原子和核物理学，以重新审视该质子的基本数量。

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。

无窗目标流动冷藏氢气直接进入CEBAF的1.1和2.2 GEV加速电子的流，允许散射的电子将几乎毫不压印进入探测器。

“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法器，宝石检测器也以更高的精度检测到电子的位置。

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大学。

合作者表示结果是唯一的，因为它通过电子散射使用新技术来确定质子电荷半径。现在，他们期待将结果与全球所进行的质子半径的新型光谱法测定进行比较，并呈现在全球范围内进行的电子和μ子散射测量。

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。

“当初始质子半径谜题在2010年出来时，在社区中有希望，也许我们已经找到了大自然的第五次力量，即这种力量在电子和丘之间的不同行动，”Duttta说。“但是PRAD实验似乎关闭了这种可能性。”

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：由W.Xiong，A. Gasparian，H.Gao，D. Dutta，M.Khandaker，N.Liyanage，E.Pasyuk，C.Pasyuk，C.Peng，C.Pasyuk，C.Peng，C.Peng，C.Pasyuk，C.Peng，C.Peng，C.Pasyuk，C.Peng，C.Peng，C.Peng，C.Peng，C.Peng，C.Peng，C.Peng，C.Peng，C.Peng，C.Peng，C.Peng，C.Peng，C.Peng，C.Peng，C.Peng，X. Beng，X. Big ，L. Ye，K.Gnanvo，C.Gu，M. Levillain，X. Yan，DW Higinbotham，M. Meziane，Z. Ye，K.Adhikari，B.Aljawrneh，H.Bhatt，D. Bhatt，D. Bhattuwal，J. Brock，V.Burkert，C. Carlin，A. Deur，D。Di，J.Dunne，P.Ekanayaka，L. El-Fassi，B. Emmich，L.GaN，O.Glamazdin，ML Kabir，A. Karmir ，C. Keith，S. Kowalski，V.Lagerquist，I. Larin，T. Liu，A. Liyanage，J.Mazwell，D. Meekins，SJ Nazeer，V.Neyubin，H. Nguyen，R. Pedroni，R. Pedroni，R. Pedroni，R. Pedroni，R. P. Perdrisat，J. Pierce，V.Punjabi，M. Shabestari，A. Shahinyan，R. Silwal，S. Seinanyan，A. Subeyi，Vv Tarasov，N. Ton，Y. Zw Zhao，2019年11月6日，自然。 DOI：
10.1038 / s41586-019-1721-2