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雷射波長的量測與決定向來不是個簡單的問題，我們以相對單純的裝置測得被thermalized後的光源的光子統計上的二次相關函數，來得到難以直接量測的高度同調的雷射線寬。此成果由兩位大學部專題研究生完成！相關細節請參閱 Optics Express 論文。

我們克服了量子點雷射輸出波長穩定性的問題。首次將其使用在目前最靈敏的光譜技術NICE-OHMS上，使得這個技術可以被運用於1-1.5um的波段範圍。此擴展了此超靈敏光譜技術的應用範圍，也為未來的原子與稱不守恆量測奠定基礎。相關細節請參閱 Optics Letters 論文。

muonium是由渺子及其反粒子組成的全輕子系統。是檢驗QED最好的原子系統，因其沒有finite size effect。它也是一個50%的反物質原子。我們以最新的雷射光頻梳重新相準了過去用於muonium雷射光譜實驗的碘分子參考頻標。進而增進了實驗的精度與當前的理論更加符合。QED又再一次獲得了勝利。。相關細節請參閱 Physical Review A 論文。

我們產生了當前最高密度的光結合超冷銣分子(85)，並且利用分子-原子間的碰撞來偵測分子的存在與數量。相關細節請參閱 New Journal of Physics 論文中。以及，我們的3分鐘簡介短片:

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)飛米，與之前的數據相符，但將精確度提高了1.7倍，與CODATA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。

論文全文：
"Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen", Science Vol.339 p417-420(2013)

延伸閱讀：
《科學》Science:How big is the proton?
《自然》Nature:Shrunken proton baffles scientists
《科學美國人》Scientific American:Shrunken Proton Baffles Scientists
《商業周刊》BusinessWeek:Protons May Be Smaller Than Thought Upsetting Theory
《國家廣播公司》NBC:Shrinking proton: Particle is smaller than thought

將鉈原子推向宇稱對稱性的破壞

透過精確地決定鉈原子的原子能階結構，將有助於觀察到鉈原子核中宇稱對稱性破壞。我們稱它為桌上型的高能實驗！相關細節請參閱 Physical Review A 論文中。

作出鋰原子 2S-3S 光譜世界上最精密的量測。

為了檢查 QED 模型，我們對鋰原子及其同位素進行極精密的 2S-3S 光譜量測，譜線的精度為 < 330 kHz，這是目前世界上對此譜線所作過最精確的數據。其它的細節已載於 Physical Review A 論文中。

向冷卻鉈原子邁進一步。

我們提出了一個冷卻鉈原子的機制，它是建立在 6D3/2-6P5/2 的能量躍遷上，我們用光頻梳對此躍遷作了絕對頻率的量測，其值為 851 634 646(56) MHz。其它的細節已載於 Physical Review A 論文中。

質子其實沒那麼大! Proton is not so big!

清華大學物理系劉怡維副教授的研究團隊，投入10年參與的奇異氫原子國際研究計畫，以精密雷射光譜研究奇異氫原子 (Exotic atom)，最終發現質子的大小比預期的來得小！這項最新的突破性研究結果刊登在七月八日發行的《自然》期刊，並成為當期的封面故事。

該實驗結果發現：組成物質的基本元素之一的質子，竟比原先預期小了四個百分比！這結果不只背離了目前所有的相關理論與實驗，更讓百年來建立的原子物理學出現了矛盾與不一致。對此，理論學家已經對當前的基本原子物理理論展開檢討，目前尚未得到任何結論，也沒有妥適的解釋。相信在接下來幾年裡，這會是物理學中有待解決的最重要的問題之一。因為，這項發現挑戰了當前已被精確地檢驗過的光與物質基本理論之正確性─即是量子電動力學 (Quantum electrodynamics, QED)；或將改變了目前最精確的基本物理常數─雷德堡常數。

質子是三種組成物質的基本元素之一：質子和中子構成原子核，以及圍繞著原子核的軌道電子，核內質子的數目可被用來標定化學元素。電子被認為是個無體積、點一般的粒子；而由夸克組成的質子，則是個具有體積的粒子。氫原子是所有原子中最簡單的，它的原子核是由單一個質子組成，並有單一個電子繞著質子運行。由於它的簡單性，氫原子也一直被認為是量子物理的「羅塞達石碑」，是物理學中最好的研究對象。縱觀歷史發展，氫原子的研究帶動了現代物理學的發展。

研究人員以奇異氫原子光譜的精密量測，以達到高精確度的質子半徑量測。所謂奇異氫原子是由一個帶負電的渺子(muon)圍繞著一個質子所形成，渺子可以看成是質量重了200倍的電子，也因此渺子的運行軌道比在正常的氫原子內電子的軌道小了200倍，它更加靠近質子。渺子是如此接近質子以致於它比電子更「容易」「感覺」到質子在空間中占有的體積，並且在渺子的運行軌道上造成明顯而且較容易被測量到的效應。該實驗使用特製雷射和新型的渺子束，讓研究者可以測量這些渺子軌道的特性，進而決定質子的半徑。

在1970年代，使用渺子氫原子測定質子的半徑的這個想法就已經產生了。然而在構想與實驗完成之間共花了40年的時間，因為太多實驗上的挑戰必須被克服！它最後的實現是有賴於團隊的長期合作，每個研究成員帶來自己專長與技術，包括加速器物理、原子物理、雷射技術和偵測器。

實驗從2001年開始，在2002、2003和2007年的研究與尋找都不成功，最後在2009年夏天有了關鍵性的突破！在長達三個月的實驗設備安裝與調整，以及三個星期的日以繼夜數據收集後，終於在2009年7月5日傍晚，科學家偵測到明確的訊號。經過漫長並仔細的數據分析，比過去更精確十倍的質子的半徑數值被推導出，0.84184飛米 (1 飛米 = 0.000 000 000 000 001米)，但明顯地與現今的公認值0.8768飛米不一致，科學家們仍在討論差異存在的可能原因。無庸置疑的是現在一切都必需重新被檢視：過去的超精密測量的實驗結果、理論的計算，以及世界上最精確和最行之有效的基本理論本身：量子電動力學。

該實驗成功的結合了來自三大洲的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)研究群劉怡維副教授所帶領的團隊，專注於以精密量測檢驗基本物理理論的研究方向。該團隊參與該實驗長達十年，參與人員包括博士生高政揚先生，主要投入於雷射系統的建立與數據擷取。其他研究團隊尚有負責雷射系統的法國的卡斯特勒-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。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了許多儀器設備與資源。

最後，該研究團隊能夠長期投入基本物理的研究有賴於清華大學物理系的支持，特別是帶領原子分子光學研究群的施宙聰教授；在經費上則是獲得國科會長期補助，特別是國際合作處提供的台瑞合作協議。

“The size of the proton“:Nature 466, 213-216 (8 July 2010)

延伸閱讀：(相關新聞)
《自然》Nature: Auantum electrodynamics: A chink in the armour?
《科學》Science: The Incredible Shrinking Proton?
《科學美國人》Scientific American: The proton shrinks in size
《國家地理雜誌》National Geographic: Proton Smaller Than Thought --- May rewrite Laws of Physics
《新科學人》News Scientist:Incredible shrinking proton raises eyebows Physics World:Proton is smaller than we though
WIRED: ‘Horrendously Intense’ Laser Shrinks the Proton

附件：《自然》期刊官方新聞稿

質子現在變小了
The proton just got smaller

幾個世代以來一直在物理學家夢想名單中的實驗已經被實現。並且出現了意想不到的結果：質子 似乎是比預期小了四個百分比左右。根據本週自然期刊所報導，此結果挑戰了目前已知最精確的物理常數，或極為成功的物理理論的正確性。

描述光與物質交互作用的量子電動力學，提供了對原子特性許多成功且高度精確的預測。然而，在理論與原子光譜精確度的提升已經進展到了一個轉戾點。理論與實驗的比較受限於有關質子大小的精確知識 （即：它的電核分布半徑）。當前被接受認可的數值是建立在氫原子光譜，其精確度僅有百分之一。

經由一個技術上高度挑戰、近來才成為可行的實驗，蘭道夫波爾和他的同事將此精確度提高了十倍。將氫原子的電子替換以較重的渺子，增加質子半徑在測量原子光譜上的效應。這得出了更準確的半徑。此與先前數值有著一段無法解釋的差距。如同論文作者所言 ，此結果似乎需要改變之前廣為接受的雷德堡常數（其在氫原子光譜中扮演重要角色），或 質疑量子電動力學本身。更多有關訊息在： https：/ / muhy.web.psi.ch/wiki/。

連絡 Contact: 清華大學物理系劉怡維(Yi-Wei Liu) Email