Only Perception: 質子半徑之謎或能以量子引力解開

2014-01-02

質子半徑之謎或能以量子引力解開

Proton radius puzzle may be solved by quantum gravity
http://phys.org/news/2013-11-proton-radius-puzzle-quantum-gravity.html

By Lisa Zyga, Nov 26, 2013

(Phys.org) -- 正式來說，一個質子（proton）的半徑是 0.88 加減 0.01 飛米（femtometers，fm，10^-15 m）。研究者利用二種方法獲得此值：首先，利用氫光譜術（hydrogen spectroscopy）測量質子的能階，其次，利用電子散射實驗，在此，一道電子束射中一個質子，而電子散射的方式則用來計算質子的大小。

但在 2010 年，試圖利用第三種實驗性技術，進一步改善質子半徑值的精確度時，物理學家獲得 0.842 加減 0.001 fm 的值 -- 與「官方值」有 7 個標準差的差異。這些實驗使用渺子氫（muonic hydrogen），在其中，帶負電荷的渺子（muon）繞行質子，而非原子氫（那由一個電子繞行質子）。因為渺子比電子重 200 倍，故渺子的軌道能比電子更靠近質子，也因而能更精確地測定質子的尺寸。

質子半徑值之間的差異，稱為「質子半徑之謎（proton radius puzzle）」，稍後引起許多關注，而且導致好幾種解釋被提出來。這些解釋當中的某些，包括標準模型之外的新自由度，以及額外的維度。

現在，在一篇於 EPL 發表的新論文中，義大利帕多瓦（Padova），帕多瓦大學，以及麻州劍橋，Harvard-Smithsonian 天體物理學中心的物理學家 Roberto Onofrio 指出，渺子氫實驗也許暗示了量子引力（quantum gravity，量子重力）。他提出，藉由考慮一種新的量子引力理論，那基於引力與弱力（weak force，弱核力，弱交互作用）的統一（unification） -- 亦稱為「引弱統一（gravitoweak unification）」-- 質子直徑之謎可獲得解決。

在此理論性情節中，傳統的牛頓引力掌控大距離，不過在非常小的尺度下則轉變成另一種不一樣的引力交互作用。尤其是，引力交互作用的強度相等於弱荷（weak charged，那發生在次原子粒子之間）交互作用的強度。弱荷交互作用可被視為費米（Fermi）尺度或費米尺度以下之量子化引力結構的表徵。

如 Onofrio 理論性地在其論文中證明，這種量子引力天生就會貢獻一種額外的結合能（binding energy，束縛能）到渺子氫實驗，那解釋了較小的質子半徑值。在這些實驗中，質子半徑值的測量是就二能階之間的能量差異（稱為 Lamb shift，蘭姆位移，下文用原文表示）而論。

Onofrio 算出，在原子氫實驗中所貢獻的引力能（gravitational energy，重力能）約比渺子氫實驗小了二個數量級，這是因為電子的質量比渺子小。Onofrio 估計，當測量原子氫的 Lamb shift 時，這種能量貢獻應較為顯著，而那在資料中的缺席，可能暗示存在一種「味取向（flavor-dependent ）」的交互作用，類似已眾所皆知的帶電弱交互作用（charged weak interaction）所發生的事。

"渺子氫很獨特，在此，它以一種空前的精確度探索了小距離，故它也許能讀取這些狀態間任何小力量的作用，" Onofrio 表示。"因為我所提供的解釋依賴原子核心的質量，在當前的實驗性研究中，完整的測試也許能在各種渺子氫上進行，更明確的說：測量渺子氘的 Lamb shift 測量，以及渺子氦光譜術。例如，在 EPL 論文裡，我就針對渺子氘（muonic deuterium）進行明確的預測。"

也許，這項研究最令人振奮的結果是，它證明渺子氫能用來測試「引弱統一」的可能情節，而弱交互作用則提供了引力效應在非常小尺度下的證據。

"這項研究證明，高精確度光譜術與尺寸介於一般原子與原子核之間的「奇異原子（exotic atoms）」的結合，也許開啟了一種新方法，來測試阿米（attometer，10^-18 m）尺度的物理學，這樣的尺度，根據我先前論文所發展的猜想，量子引力，應當也會以我們現在從弱交互作用中所得知的形態來作用，" Onofrio 說。

Onofrio 計畫繼續從各種面向追尋引弱猜想（gravitoweak conjecture），並研究它與我們從粒子物理學之標準模型中所得知的有多相符，在其中，弱交互作用與電磁作用混在一起（譯註：電弱交互作用）。他也在下面的第二篇論文中描述了未來的研究願景。

※ 相關報導：

＊ Proton radius puzzle and quantum gravity at the Fermi scale
http://iopscience.iop.org/0295-5075/104/2/20002/