質子確實比較小

清華大學物理系參與的國際研究團隊，透過奇異氫原子的雷射光譜確認了質子確實是出乎意料的小。

質子的大小，在2010年經由包括台灣清華大學在內的國際團隊，透過緲氫的精密雷射光譜，發現比過去所公認的數值小了四個百分比。該結果讓物理學的基礎出現了裂縫。至今，即使在眾多理論學家與實驗學家的努力之下，仍然無法解決這個不一致。稱之為：質子大小之謎 (proton size puzzle)。日前，該團隊經由另一個緲氫原子的躍遷，再次量得質子的大小為：0.84087(39)飛秒，與之前的數據相符，但將精確度提高了1.7倍，與CODTATA的差異擴大到7個標準差，並得到了質子的磁半徑(magnetic radius)。也因此更加深化了質子大小之謎。此結果發表在一月二十五日出版的Science期刊。 

質子，由三個夸克所組成，是一個有著空間展延的物體。帶著電核與磁性的夸克，在空間上的組合方式，也就造成質子的電核與磁性在空間上的分布。也就是質子的大小。該研究團隊利用緲子(一個特性像電子，但是質量為其200倍，並且生命週期較短的基本粒子)與質子組合成緲子氫原子，透過雷射光譜學的方法，量測緲子氫原子的能階，精確地決定了質子的大小。在這樣的奇異原子中，緲子較大的質量使得它比一般氫原子中的電子更加接近質子，也就強烈地受到質子的影響，進而造成能階的位移。該實驗利用瑞士保羅謝勒研究所的加速器所提供的高照度緲子束產生緲子氫原子，結合新的碟型雷射(disk laser)科技與精密光譜技術。最新的實驗結果，經由另一組躍遷能階的量測，得到了緲子氫原子的超精細結構光譜，不僅確認了較小的質子大小，同時將精確度進一步加以提升。這也是首次利用緲子氫原子的雷射光譜獲得了質子的磁半徑：0.87(6)飛秒。此結果與其他實驗方法所得相符，並有著相當的精確度。 

今天全球的物理學家正積極尋找質子大小之謎的解答。過去以一般氫原子，或是電子-質子散射所進行的量測都被重新分析、檢視，甚至將重啟過去的實驗。來自不同領域的理論物理學家也試圖從不同的角度來解釋這項物理學中的不一致，包括超越標準模型的有趣理論架構。或是設想比現今更加複雜的質子結構，試圖在理論上進行補救。然而，這些都需要新的實驗加以驗證。在未來，新的國際研究團隊CREMA，包括清華大學物理系在內，將利用既有的實驗設備加以改良，進行緲子氦原子的實驗。目前實驗已經在準備中，預計實驗結果將可以對解決質子大小之謎指出一個較為明確的方向。　 

清華大學物理系劉怡維副教授的原子操控實驗室(AMO研究群)加入該計劃超過十年，與各國際間的研究團隊建立起緊密的合作關係。在許多不同的面向上參與實驗，特別是關鍵性的雷射系統與精密光譜技術。該實驗室期望，在國科會與清華大學的支持下，能在下一階段的緲子氦原子實驗中能解開這個質子大小之謎，探索”新物理”的可能性。 

Original publication:

Aldo Antognini, François Nez, Karsten Schuhmann, Fernando D. Amaro, François Biraben, João M. R. Cardoso, Daniel S. Covita, Andreas Dax, Satish Dhawan, Marc Diepold, Luis M. P. Fernandes, Adolf Giesen, Andrea L. Gouvea, Thomas Graf, Theodor W. Hänsch, Paul Indelicato, Lucile Julien, Cheng-Yang Kao, Paul Knowles, Franz Kottmann, 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, Catherine Schwob, David Taqqu, João F. C. A. Veloso, Jan Vogelsang, Randolf Pohl

Proton structure from the measurement of 2S − 2P transition frequencies of muonic hydrogen

Science. 25^th January 2013  

相關背景資料： 

原子操控實驗室(http://www.phys.nthu.edu.tw/~atom/)屬於清華大學物理系AMO研究群(原子-分子-光學)，該研究群涵蓋了超低溫原分子、量子光學、量子資訊、簡單原分子的精密光譜學、超快雷射物理等研究範疇，從基本物理定律的檢驗到尖端的量子資訊技術與飛秒雷射科技，在國際AMO物理學已經佔有顯著的位置。  

本次參與的的人員35名物理學家，分別來自台、瑞、德、法、葡、美等國家，包括：台灣清華大學、瑞士的保羅謝勒研究所、蘇黎世理工大學、法國的卡斯特勒-布羅塞爾實驗室、德國馬克斯普朗克研究所、以及在德國斯圖加特的Strahlwerkzeuge研究所與Dausinger&Giesen公司，葡萄牙的Coimbra與Aveiro，美國的耶魯大學和普林斯敦大學等，12個研究單位。 

質子大小之謎(The proton size puzzle)始於同一團隊於2010在自然(Nature)期刊上所發表的一篇論文(The size of the proton)(Vol.466 page 213-216)，該論文被選為當期封面，至今已超過130個引用。

清華大學馮達旋副校長公開信

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