「質子更小」震撼物理學界 台灣團隊有功

◆ 「質子更小」震撼物理學界 台灣團隊有功
http://udn.com/NEWS/NATIONAL/NAT5/5719934.shtml

【聯合晚報╱記者林進修/台北報導】2010.07.12

清大副教授劉怡維：大家都很震驚

一個只有0.035乘以10的負15次方公尺、小到幾乎不能再小的長度，卻讓清大物理系副教授劉怡維列名的研究論文，登上國際頂尖期刊「自然」 (Nature)的封面故事，甚至可能改寫物理領域中最完美的量子電動力學，震撼全球物理學界。

「大家反應都很震驚！」劉怡維表示，去年7月研究團隊完成這個跨國性的大規模研究計畫，全球物理學家大感震驚，陸續開討會討論物理學界未來可能面臨的問題。

劉怡維說，質子、中子及電子是組成物質的三個基本元素，質子和中子構成原子核，電子圍繞在原子核外的軌道上運行。由於質子的數目向來被用來標定化學元素，而氫原子的原子核只由單一質子組成，再加一個電子繞著質子運行，被視為物理學中最好的研究對象，氫原子研究也因此帶動現代物理學的發展。

3大洲32科學家花三、四十年突破

近百年來，質子半徑被公認為0.8768飛米，每一飛米為一公尺乘10的負15次方，但物理學家知道這一數值不精確，花了三、四十年要以渺子氫原子來測定更精準的質子半徑，卻仍一無所成。

2001年，劉怡維加入由美洲、歐洲及亞洲32位頂尖科學家組成的研究團隊，進行偵測渺子氫原子中質子半徑的研究。2002、2003及2007年的研究及尋找都不成功，直到2009年夏天出現關鍵性突破。去年7月5日科學家終於偵測到明確的訊號。

比當前公認值小4% 精確10倍

經過漫長並仔細的數據分析，這群科學家以比過去精確10倍的數質，推算出質子的半徑為0.84184飛米，比當前公認值的0.8768飛米，足足小了 4%。

這個全新結果不但推翻所有相關理論與實驗，更讓百年來的原子物理學，出現矛盾與不一致。最近三個月來，物理學家開始探討原子物理理論，但尚未有結論。

劉怡維指出，量子電動力學是已被精確檢驗過的光與物質基本理論，但這項新發現將挑戰電子動力學的正確性，或許還將改變目前最精確的基本物理常數「雷德堡常數」。



◆ 質子研究／「物理學家幾世代夢想實驗實現」

【聯合晚報╱記者林進修/台北報導】2010.07.12

「自然」期刊7月8日發行的最新一期，以「質子其實並沒有那麼大！」 (The proton is not so big)為題，寫成封面故事。「自然」期刊官方新聞稿，甚至以「幾個世代以來，一直在物理學家夢想名中的實驗已經被實現，並且出現了意想不到的結果」，盛讚這項了不起的成就。今天中午國科會特別舉行臨時記者會，劉怡維和參與該研究的博士生高政揚一起出席，向國人報告研究結果。

劉怡維表示，除清大研究群外，還有負責雷射系統的法國卡斯特勒-布羅塞爾實驗室、德國馬克斯普朗克研究所、德國斯圖加特的Strahlwerkzeuge 研究所與Dausinger & Giesen公司，高感度的探測器是由葡萄牙的Coimbra與Aveiro大學所設計，美國的耶魯大學和普林斯頓大學也貢獻許多儀器設備與資源，陣容堅強。

全新的研究成果出爐後，劉怡維認為，勢將對物理學界帶來衝擊，首先是完美的量子電動力學最後有可能證實是錯的；其次，或許還有未知的粒子尚未被發現。而且在當前大家熟知的物理之外，說不定還有「真物理」的存在。

2005年諾貝爾物理獎得主、德國馬克斯普朗克研究所高級研究員陶斯漢許 (Theodor Hansch)，也參與這項研究。他開玩笑地說，既然質子半徑小了4%，代表質子的截面積少了8%，歐洲大型粒子對撞機(LHC)花30億歐元蓋的質子加速器，捕捉到質子的機率減少8%，一下子就損失了2億4000萬歐元。



◆ 質子研究／怎麼突破的？渺子取代電子

【聯合晚報╱記者林進修/台北報導】2010.07.12

質子半徑精準推算，可望改寫部分物理學理論，其成功的關鍵在於以渺子取代電子來量測，終於突破數十年的瓶頸。

劉怡維解釋，傳統是以氫原子的電子來測質子半徑，但研究團隊改則以奇異氫原子的渺子取代。奇異氫原子是由一個帶負電的渺子 (muon)圍繞著一個質子形成，渺子運行軌道，比在正常氫原子內電子的軌道小了200倍，也更靠近質子。

由於渺子相當接近質子，比電子更容易「感覺」到質子在空間中所占的體積，在渺子的運行軌道上，也會形成明顯、較容易被測量到的效應，科學家就可透過特製雷射和新型的渺子束，測量這些渺子軌道的特性，進而推算出質子的半徑。



◆ 質子變小 台灣研究登上Nature

中央社 2010/7/12

（中央社記者林惠君台北12日電）清華大學物理系副教授劉怡維的研究團隊發現，組成物質的基本元素之一的質子，比原先預期小了 4個百分點；這項震撼全球物理界的突破性研究成果，登上Nature期刊封面。

行政院國家科學委員會與清華大學今天召開聯合記者會，由劉怡維帶領的研究團隊歷經10年的研究後，發現「質子其實沒有那麼大」。

研究團隊經過漫長並仔細的數據分析，比過去更精確10倍的質子的半徑數值被推導出為0.84184飛米（1飛米=0.000 000 000 000 001米），明顯與現今的公認值0.8768飛米不一致，科學家們仍在討論差異存在的可能原因。

劉怡維表示，雖然質子的大小相差只有 4個百分點，對物理的影響卻很大，以後實驗也不排除會推翻現在的發現；但他預估，現在的發現，5年內不會被打破。

他說，這項發現在物理上的意涵包括百年來的原子物理必須重新檢討，在接下來幾年裡，這會是物理學中有待解決最重要的問題之一。

至於問題出在哪裡？劉怡維說，有幾種可能，可能是「量子電動力學」錯了，也有可能是電子－質子，或渺子－質子間有未知的交互作用，不過，現在還沒有結論。

劉怡維補充，這項發現挑戰當前已被精確地檢驗過的光與物質基本理論正確性─即量子電動力學（Quantum electrodynamics，QED）；或將改變目前最精確的基本物理常數─雷德堡常數。

至於對生活上的改變？劉怡維表示，這項發現對日常生活沒有改變，不過，大學的普通物理教科書可能要改寫。

這項實驗成功結合來自 3大洲32個科學家的合作，在擁有世界最強大的渺子束源的瑞士保羅謝勒研究所進行。台灣清華大學物理系的原子分子光學（AMO）研究群劉怡維所帶領的團隊，專注於以精密量測檢驗基本物理理論的研究方向。

國際權威科學雜誌─Nature（自然）在7月8日的封面報導中，報導這項新發現。

※ 雷德堡常數（Rydberg constant）。相關報導：

＊ 質子其實沒那麼大! Proton is not so big!
http://www.phys.nthu.edu.tw/~ywliu/pr.html

＊ The size of the proton
http://www.nature.com/nature/journal/v466/n7303/abs/nature09250.html

Randolf Pohl, Aldo Antognini, François Nez, Fernando D. Amaro,
François Biraben, João M. R. Cardoso, Daniel S. Covita,
Andreas Dax, Satish Dhawan, Luis M. P. Fernandes, Adolf Giesen,
Thomas Graf, Theodor W. Hänsch, Paul Indelicato, Lucile Julien,
Cheng-Yang Kao, Paul Knowles, Eric-Olivier Le Bigot,
Yi-Wei Liu, José A. M. Lopes, Livia Ludhova,
Cristina M. B. Monteiro, Françoise Mulhauser, Tobias Nebel,
Paul Rabinowitz, Joaquim M. F. dos Santos, Lukas A. Schaller,
Karsten Schuhmann, Catherine Schwob, David Taqqu,
João F. C. A. Veloso, Franz Kottmann
Nature 466, 213–216 (08 July 2010)
doi: 10.1038/nature09250

＊ 微笑吧！質子，你上鏡頭了！
＊ 研究：質子作用如同線蟲的神經傳導素
＊ 科學家首度觀察獨特的 Rydberg 分子
＊ 量子波動為超導體中的關鍵
＊ 首度在費米子氣體中觀察到磁性
＊ 物理學家創造奇異的「反超粒子」
＊ 液態氫有新「相」的證據
＊ 研究發現為何固體中的原子偏好某些結構
＊ 一窺奈米尺度下的世界
＊ 顯微鏡看世界 朱棣文大突破