科學(xué)家得出迄今最精確質(zhì)子質(zhì)量值

2021年11月30日，據(jù)《科學(xué)》報(bào)道，美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)原子物理學(xué)家Edmund Myers和David Fink將兩個(gè)離子限制在一個(gè)電磁陷阱中，讓它們連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)周，并以極高的精度比較它們的質(zhì)量。隨后，他們得出了迄今為止最精確的質(zhì)子質(zhì)量估值：1.007 276 466 574±10-12amu(原子質(zhì)量單位)。這串?dāng)?shù)字可能幫助科學(xué)家尋找到新的力。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。

為確定輕原子核(如質(zhì)子)質(zhì)量，科學(xué)家運(yùn)用物理學(xué)方法，將質(zhì)子這樣的帶電粒子垂直射入磁場(chǎng)，磁場(chǎng)會(huì)將其推向一邊，這樣質(zhì)子就會(huì)以顯示粒子質(zhì)量的頻率旋轉(zhuǎn)。在實(shí)踐中，為了提高測(cè)量精度，物理學(xué)家通過(guò)比較兩種不同粒子的頻率以測(cè)量它們的質(zhì)量比。

例如，在2020年，Myers和Fink測(cè)量了氘核(由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成的原子核)和一個(gè)電離氫分子(由兩個(gè)化學(xué)結(jié)合的質(zhì)子組成)的質(zhì)量比。這兩個(gè)粒子具有相同的電荷和幾乎相等的質(zhì)量，所以它們以幾乎相同的頻率運(yùn)行，增加了測(cè)量的精度。

為了使氘核和氫離子在相同的條件下運(yùn)行，Myers和Fink把它們放在同一個(gè)電磁陷阱中，并持續(xù)數(shù)周。他們將其中一個(gè)放置在一個(gè)直徑4 mm的大軌道上，另一個(gè)在陷阱中心40 μm的軌道上旋轉(zhuǎn)，每10 min交換一次。然而，即使是這種技術(shù)也不足以確保兩個(gè)粒子的測(cè)量結(jié)果是完全可比的。Myers說(shuō)：“在這10 min內(nèi)，磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化?！?/p>

現(xiàn)在，Myers和Fink已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。他們重現(xiàn)了麻省理工學(xué)院20年前開(kāi)發(fā)的技術(shù)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)氘核和陷阱中心的氫離子。研究人員將離子頻率的精度提高了4倍，利用一些理論結(jié)果，他們能夠確定氘核與質(zhì)子的質(zhì)量比，相對(duì)誤差為4.5×10-12。

最后，為了估計(jì)質(zhì)子的質(zhì)量，Myers和Fink將他們的測(cè)量比率與德國(guó)馬克斯·普朗克核物理研究所去年發(fā)表的一項(xiàng)對(duì)氘核質(zhì)量極其精確的測(cè)量結(jié)果相結(jié)合。新的質(zhì)子質(zhì)量估計(jì)的不確定性是國(guó)際科學(xué)理事會(huì)數(shù)據(jù)委員會(huì)官方平均值的1/5。

然而，該結(jié)果還不能為質(zhì)子質(zhì)量設(shè)定一個(gè)新的值。Myers和Fink利用電子束從氫分子中撞擊出一個(gè)電子，從而產(chǎn)生了被捕獲的氫離子。這個(gè)劇烈的過(guò)程使離子帶著內(nèi)部能量振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。根據(jù)量子力學(xué)，離子的振動(dòng)能量或轉(zhuǎn)動(dòng)能量的量是離散的。當(dāng)離子每次輻射出振動(dòng)能量時(shí)，實(shí)驗(yàn)者可以觀察到它的質(zhì)量在下降。但為了估計(jì)它每一步的轉(zhuǎn)動(dòng)能是多少，Myers和Fink依賴(lài)于理論的推論，這帶來(lái)了一些不確定性。

未參與該研究的中央密歇根大學(xué)核物理學(xué)家Matthew Redshaw說(shuō)，即使存在一些不確定性，但數(shù)據(jù)表明，他們估計(jì)的質(zhì)子質(zhì)量已經(jīng)是迄今最精確的值。

荷蘭阿姆斯特丹自由大學(xué)原子和分子物理學(xué)家Jeroen Koelemeij介紹，其團(tuán)隊(duì)正在使用激光創(chuàng)造和捕獲已知振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的氫離子。這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)與Myers和Fink的方法相結(jié)合，以減少不確定性。