迄今最精確質子電荷半徑測出

氫是宇宙中最常見、最基礎的元素，但其質子電荷半徑大小仍是未解之謎。德國科學家在最新一期《科學》雜志撰文指出，他們利用高精度頻梳技術，在高分辨率氫光譜中激發氫原子，首次將量子動力學的測試精確到小數點后13位，在此過程中測得質子電荷半徑為0.8482（38）飛米（1飛米為10-15米），精度是此前所有測量結果的2倍。

無處不在的質子，位於每個原子的核心，已成為許多研究和實驗的主題，但質子電荷半徑究竟有多大，一直是個未解之謎。十多年前，科學家借助光譜學法與散射法給出了基本一致的測量結果：0.88飛米。然而2010年，科學家用μ介子—氫原子光譜法測得的質子電荷半徑卻是0.84飛米，質子“變小”了4%！因此多年來，科學家一直在努力研究這個不同尋常的“質子電荷半徑之謎”。

為解開這個謎，在最新研究中，MPQ團隊借用一種完全不同的互補方法來測量氫原子軌道上電子能級之間的躍遷。他們利用一種雙光子頻梳譜儀，得出質子電荷半徑為0.8482（38）飛米，精度為之前所有針對氫開展的測量值的2倍，而且，該研究首次將量子動力學的測試精確到小數點后13位。

最新研究也是頻梳光譜學領域的裡程碑。研究人員解釋說，迄今他們對氫和其他原子、分子進行精確光譜分析，用的幾乎全是連續波激光，而頻梳由脈沖激光產生，此類激光器使科學家有可能進入極短波長的紫外線范圍，而連續波激光無法做到這一點。此外，科學家們一直無法用激光精確地研究氦離子等他們感興趣的離子，最新研究朝改進這一狀況邁出了重要一步。研究人員表示，希望這些紫外頻梳能用於直接冷卻氫和碳等重要的生物化學元素，以便更精確地研究它們。