精准测量质子质量

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近日，美国佛罗里达州立大学原子物理学家Edmund Myers和David Fink将两个离子限制在一个电磁陷阱中，让它们连续转动数周，并以极高的精度比较它们的质量。随后，他们得出了迄今为止最精确的质子质量估计：1.007276466574±10-12 amu（原子质量单位）。相关研究结果发表于《物理评论快报》。

据《科学》报道，这个小数字可能是一件大事，因为精确地知道质子质量可以帮助科学家寻找新的力。

为确定轻原子核(如质子)质量，科学家运用物理学的方法，将质子这样的带电粒子垂直射入磁场，磁场会把质子推向一边，这样质子就会以显示粒子质量的频率旋转。在实践中，为了提高测量的精度，物理学家通过比较两种不同粒子的频率来测量它们的质量比。

例如，在2020年，Myers和Fink测量了氘核(由一个质子和一个中子组成的原子核)和一个电离氢分子（由两个化学结合的质子组成）的质量比。这两个粒子具有相同的电荷和几乎相等的质量，所以它们以几乎相同的频率运行，增加了测量的精度。

为了使氘核和氢离子在相同的条件下运行，Myers和Fink把它们放在同一个电磁陷阱中，并持续数周。他们将其中一个放置在一个直径4毫米的大轨道上，同时测量另一个在陷阱中心40微米的轨道上旋转，每10分钟交换一次。然而，即使是这种技术也不足以确保两个粒子的测量结果是完全可比的。Myers说：“在这10分钟内，磁场会发生变化。”

现在，Myers和Fink已经解决了这个问题。他们重现了麻省理工学院20年前开发的技术，同时旋转氘核和陷阱中心的氢离子，所以他们可以通过完全相同的磁场。研究人员将离子频率的精度比以前提高了4倍，利用一些理论结果，他们能够确定氘核与质子的质量比为万亿分之4.5。

最后，为了估计质子的质量，Myers和Fink将他们的测量比率与德国马克斯普朗克核物理研究所去年发表的一项对氘核质量极其精确的测量结果相结合。新的质子质量估计的不确定性是国际科学理事会数据委员会(CODATA)官方平均值的五分之一。

然而，该结果还不能为质子质量设定一个新的值。Myers和Fink利用电子束从氢分子中撞击出一个电子，从而产生了被捕获的氢离子。这个剧烈的过程使离子带着内部能量振动和旋转。正如爱因斯坦相对论所述，能量相当于质量，并且略微提高了离子的测量质量，对此Myers和Fink必须加以修正。

根据量子力学，离子的振动能量或转动能量的量是离散的。当离子一次一步地辐射出振动能量时，实验者可以观察到它的质量在下降。但为了估计它每一步的转动能是多少，Myers和Fink依赖基于理论的推论，引入了一些不确定性。

未参与该研究的中央密歇根大学核物理学家Matthew Redshaw说，即使该研究小组的这些任务并不完全正确，但数据表明，他们估计的质子质量的不确定性可能不超过万亿分之16，这是迄今为止最精确的值。

阿姆斯特丹自由大学原子和分子物理学家Jeroen Koelemeij介绍，其团队正在使用激光创造和捕获已知振动和旋转状态下的氢离子。这项技术可能会与Myers和Fink的方法相结合，以进一步减少不确定性。