Science重磅！史上最精确质子电荷半径公布！

鲜辉研之成理

▲第一作者：Alexey Grinin

通讯作者：Alexey Grinin

通讯单位：Laser Spectroscopy Division Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching, Germany.

DOI：10.1126/science.abc7776

背景介绍

无处不在的质子，位于每个原子的核心，已成为许多研究和实验的主题，氢是宇宙中最常见、最基础的元素，只有一个电子的最简单物质。质子半径之谜是指介子氢和常规原子氢所得数据之间的显著差异，这在量子电动力学框架内无法解释。十多年前，科学家借助光谱学法与散射法给出了基本一致的测量结果：0.88飞米。然而2010年，科学家用μ介子—氢原子光谱法测得的质子电荷半径却是0.84飞米，质子“变小”了4%！因此多年来，科学家一直在努力研究这个不同寻常的“质子电荷半径之谜”。

本文亮点

1、采用无多普勒双光子频梳光谱（ Doppler-free two-photon frequency comb spectroscopy）技术来测量氢原子轨道上电子能级之间的跃迁。

2、作者利用高精度频梳技术在高分辨率氢光谱中激发氢原子，首次将量子动力学的测试结果精确到了小数点后13位。

3、在此过程中测得质子电荷半径为0.8482（38）飞米（1飞米为10^-15米），是此前所有测量结果的2倍精度，该结果使介子值优于最新发布的CODATA 2014调整值所提供的世界平均数据。

4、频梳由脉冲激光产生，此类激光器使科学家有可能进入极短波长的紫外线范围，而连续波激光无法做到这一点，这为改变人们一直无法用激光精确地研究氦离子等离子这一状况迈出了重要一步，是频梳光谱学领域的一个里程碑。

图文解析

▲图1. 质子电荷半径测量

要点：

各种实验中获得的质子电荷半径测量值的部分不同，从而在实验不确定性水平上阻止了对量子电动力学的验证。

▲图2. 双光子直接频梳原理和实验装置

要点：

1、作者使用锁模钛蓝宝石激光器（78.8 MHz，1.3 ps，2.8 W）、通过加倍级数和使用延迟线来产生高于315.2 MHz的重复率，获得了支持两个反向传播脉冲的相对较短的双镜增强腔、半峰宽（FWHM）脉冲持续时间为2.0 ps、高达50 mW的205 nm辐射。

2、作者选择的原极化避免了延迟线中的功率损耗，并减少了相对于1S-3S跃迁的1S-3D跃迁激励。

3、在测量过程中，借助第二个自参考频梳和一个射频计数器，不断记录激光模式之一的频率和精确的重复率。

4、通过在射频放电管中解离氢分子产生氢原子，然后通过特氟龙管将其导引至低温铜喷嘴，在该喷嘴中，它们被加热并通过两个相邻的孔逸入真空中。

5、与激光模式相关的光子能量成对累加以产生跃迁能量ℏw_eg实现频梳驱动的双光子跃迁。

▲图3. 光谱装置和典型的线扫描成分

要点：

一些氢原子与铜喷嘴作用，使其变成了雪茄形的激光脉冲碰撞腔（PCV），并被激发到3S态，随后它们在0.16 μs内衰减到2P态，释放出可检测的656 nm Balmer-α光子。作者希望对原子氢的1S-3S跃迁进行双光子紫外直接频率梳光谱分析，以阐明所谓的质子半径之谜，并证明这种方法的潜力。

▲图4.啁啾引起的残余一阶多普勒频移原理及二阶多普勒

要点：

1、双光子光谱的一个重要特征是，当原子吸收一对反向传播的光子时，一阶多普勒效应被抑制。这只能在PCV内发生，而在PCV之外，仅从任一侧发生多普勒增宽的双光子吸收。

2、作者收集的数据集由i = 1…4450行扫描组成，每个行扫描时间约为36秒。记录的大部分数据（2020行扫描）的喷嘴温度为7 K。实验获得了二阶多普勒频移数据与喷嘴温度的关系。

3、作者评估了所有实验步骤中的不确定性、考虑了其间的相关性并给出了所有的校正和误差预算，最终获得了1S（F = 1）–3S（F = 1）跃迁的无扰频。

4、作者使用项集合、精细结构常数和电子与质子质量的比值，将实验结果[f_1S-3S = 2,922,743,278,665.79（72）千赫兹]与先前对1S-2S跃迁频率的测量结果相结合，获得了最新的里德堡常数[R∞= 10,973,731.568226（38）每米]和新的质子电荷半径值[r_p = 0.8482（38）飞米]。

5、该方法所确定的质子半径的数值证实了更小的质子半径，由此将其他理论预测的结果都排除在外。

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/370/6520/1061

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