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物理学院崔著钫博士和Craig D. Roberts教授及合作者提出了一种从电子散射实验提取质子电荷半径的新方法

本站小编 Free考研考试/2022-03-01

质子是自然界最基本的束缚态,其内部结构由量子色动力学(QCD)通过胶子和夸克这些目前已知的最基本的强相互作用粒子来描述。质子的质量可以极其精确地测量(相对误差~10?10),但对其(电荷)半径rp却并非如此。质子半径与禁闭问题(即实验上没有观测到孤立的胶子或夸克)有关,因而特别重要。rp的值也表征了QCD拉格朗日量中流夸克可以严格地代表相关自由度的区域大小。此外,rp的准确值对于精确确定原子物理中的相关量(如里德堡常数和兰姆位移)也至关重要。
精确的实验测量可以为理论研究建立严格的基准,但问题在于目前不同rp测量值之间有高达8个标准差的差异,如图1上面板所示。十余年前从缪子氢原子(μH)兰姆位移测量中提取质子半径所出现的这种冲突,被称为“质子半径之谜”。为此,研究者提出了许多潜在的解决方案,甚至包括粒子物理标准模型之外的新物理。

图1.上面板:各种rp测量技术给出的结果
下面板:崔著钫博士和Roberts教授及合作者发展的新分析方法从PRad[H]和A1 ep散射[G]数据中获得的结果
实验方面也有一些新的方案来测试各种可能性,例如,PRad合作组最近发布了其结果:rpPRad= 0.831 ± 0.007stat ± 0.012syst fm。值得注意地是,这是已发表的电子-质子(ep)散射实验结果中,首次与从μH测量中提取的质子半径相一致。在进行和分析ep散射实验时,PRad合作组采用了多项改进措施,包括:达到了迄今最低的动量转移平方Q2,并覆盖了更大范围的低Q2区域。此外,由于电荷半径是从质子弹性电磁形状因子在Q2=0的斜率获得的,PRad特别注意了拟合形式的选择对所提取半径的影响。
近期,物理学院崔著钫博士和Roberts教授及合作者采用了一种新的数学方法来分析精确的实验数据,以求解质子半径问题。该方法采用了应用数学的概念,消除了在选择拟合形式时的任意性,尚未有物理学工作者做类似应用。他们对PRad数据再分析所得结果为:rpPRad= 0.838 ± 0.005stat fm 。该值标在图1下面板中,并在误差范围内再现了已发表的PRad结果。
随后,他们还将新方法应用于A1合作组所获得的、PRad结果外世界上唯一另一组精确的ep散射数据,结果为:rpA1-lowQ2= 0.856 ± 0.014 stat fm。显然,尽管研究团队对A1数据的再分析具有更大的统计不确定性,但其值与PRad估计值和μH实验结果一致,从而统一了所有关于质子半径的精确测量。综合上述两组结果:rpNJU= 0.847 ± 0.008stat fm,由图1下面板中的金色带表示。
因此,根据研究团队的分析,从ep散射获得的质子半径与从μH兰姆位移确定的质子半径之间没有差异。他们的分析表明,产生“质子半径之谜”的原因在于低估了使用特定的、有限的函数来插值和外推ep散射数据所引入的系统误差。因此,研究团队很可能以这样一种简单明了的方式解决了质子半径之谜,从而避免了引入新物理进行奇特解释的必要。
值得强调地是,MUSE合作组计划在瑞士开展一项新的缪子-质子散射实验以提取质子半径,其中一位高级成员这样评价研究团队的工作:“当我想到你们的论文时,我得出结论:(你们的)这方法是需要宣传的,因为它显然是应该做的。”
实际上,研究团队引入的新方法适用于更广泛的领域,也应该得到更广泛的应用;而且,它很可能会成为质子半径之谜及其它一些领域未来的标准。
这项新工作近日以“Fresh Extraction of the Proton Charge Radius from Electron Scattering”为题发表在《物理评论快报(Physical Review Letters)》上:< https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.092001 >。欧洲核物理与相关领域理论研究中心(ECT*)近日也对本工作进行了新闻报导:https://www.ectstar.eu/ect-and-the-proton-radius-puzzle。崔著钫博士是本文第一作者,Craig D. Roberts教授和ECT*的Daniele Binosi教授是共同通讯作者。崔博士得到了国家及江苏省自然科学基金的资助;Roberts教授得到了南京大学高层次人才科研启动经费、江苏省外专百人项目及国家自然科学基金重点项目的资助。
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