近日，美國佛羅里達州立大學原子物理學家Edmund Myers和David Fink將兩個離子限制在一個電磁陷阱中，讓它們連續轉動數周，並以極高的精度比較它們的質量。隨後，他們得出了迄今為止最精確的質子質量估計：1.007276466574±10-12 amu（原子質量單位）。相關研究結果發表於《物理評論快報》。
質子圖像。圖片來源：ARSCIMED/SCIENCE SOURCE
據《科學》報道，這個小數字可能是一件大事，因為精確地知道質子質量可以幫助科學家尋找新的力。
為確定輕原子核（如質子）質量，科學家運用物理學的方法，將質子這樣的帶電粒子垂直射入磁場，磁場會把質子推向一邊，這樣質子就會以顯示粒子質量的頻率旋轉。在實踐中，為了提高測量的精度，物理學家通過比較兩種不同粒子的頻率來測量它們的質量比。
例如，在2020年，Myers和Fink測量了氘核（由一個質子和一個中子組成的原子核）和一個電離氫分子（由兩個化學結合的質子組成）的質量比。這兩個粒子具有相同的電荷和幾乎相等的質量，所以它們以幾乎相同的頻率運行，增加了測量的精度。
為了使氘核和氫離子在相同的條件下運行，Myers和Fink把它們放在同一個電磁陷阱中，並持續數周。他們將其中一個放置在一個直徑4毫米的大軌道上，同時測量另一個在陷阱中心40微米的軌道上旋轉，每10分鐘交換一次。然而，即使是這種技術也不足以確保兩個粒子的測量結果是完全可比的。Myers說：“在這10分鐘內，磁場會發生變化。”
現在，Myers和Fink已經解決了這個問題。他們重現了麻省理工學院20年前開發的技術，同時旋轉氘核和陷阱中心的氫離子，所以他們可以通過完全相同的磁場。研究人員將離子頻率的精度比以前提高了4倍，利用一些理論結果，他們能夠確定氘核與質子的質量比為萬億分之4.5。
最後，為了估計質子的質量，Myers和Fink將他們的測量比率與德國馬克斯普朗克核物理研究所去年發表的一項對氘核質量極其精確的測量結果相結合。新的質子質量估計的不確定性是國際科學理事會數據委員會（CODATA）官方平均值的五分之一。
然而，該結果還不能為質子質量設定一個新的值。Myers和Fink利用電子束從氫分子中撞擊出一個電子，從而產生了被捕獲的氫離子。這個劇烈的過程使離子帶着內部能量振動和旋轉。正如愛因斯坦相對論所述，能量相當於質量，並且略微提高了離子的測量質量，對此Myers和Fink必須加以修正。
根據量子力學，離子的振動能量或轉動能量的量是離散的。當離子一次一步地輻射出振動能量時，實驗者可以觀察到它的質量在下降。但為了估計它每一步的轉動能是多少，Myers和Fink依賴基於理論的推論，引入了一些不確定性。
未參與該研究的中央密歇根大學核物理學家Matthew Redshaw說，即使該研究小組的這些任務並不完全正確，但數據表明，他們估計的質子質量的不確定性可能不超過萬億分之16，這是迄今為止最精確的值。
阿姆斯特丹自由大學原子和分子物理學家Jeroen Koelemeij介紹，其團隊正在使用激光創造和捕獲已知振動和旋轉狀態下的氫離子。這項技術可能會與Myers和Fink的方法相結合，以進一步減少不確定性。
相關信息：https：//journals.aps.org/prl/accepted/88073Yb8Tb31b990a0d21b836ba5e43b564a34fc2
來源：中國科學報