新的测量产生较小的质子半径

PRad协作使用了半个世纪以来通过电子散射测量质子尺寸的第一种新方法，在能源部的托马斯·杰斐逊国家加速器实验室进行的一项实验中，质子半径产生了新的价值。

最近发表在《自然》杂志上的结果是通过电子散射实验测得的最精确的结果之一。所获得的质子半径的新值是0.831 fm，小于先前的电子散射值0.88 fm，并且与最新的muonic原子光谱法结果一致。

北卡罗莱纳州A&T州立大学教授Ashot Gasparian说：“我们很高兴多年的合作努力即将结束，并取得了良好的结果，这将对解决所谓的质子半径难题至关重要。”实验的发言人。

宇宙中所有可见物质都建立在由三个夸克组成的云中，这些夸克结合了强大的能量。遍布每个原子的心脏的无处不在的质子，已经成为旨在揭示其秘密的众多研究和实验的主题。然而，一项根据云的均方根电荷半径来测量云的大小的实验出乎意料的结果使原子物理学家和核物理学家联合起来进行了一系列活动，以重新检查这一基本数量的质子。

在2010年之前，质子半径的最精确测量来自两种不同的实验方法。在电子散射实验中，电子在质子处被发射，质子的电荷半径由电子从质子反弹或散射后的路径变化决定。在原子光谱测量中，当电子围绕一个小原子核旋转时，可以观察到它们之间的跃迁(以电子释放的光子的形式)。通常观察到的核包括氢(带有一个质子)或氘(带有质子和中子)。这两种不同的方法产生的半径约为0.88飞米。

2010年，原子物理学家宣布了一种新方法的结果。他们测量了围绕实验室制造的氢原子的轨道中电子的能级之间的跃迁，该氢原子用μ子取代了轨道电子，μ子的轨道更接近质子，对质子的电荷半径更敏感。该结果产生的值约为0.84飞米，比以前小4%。

2012年，由加斯帕里安(Gasparian)领导的科学家合作，在杰斐逊实验室(Jefferson Lab)进行了一次技术合作，以改进电子散射方法，以期对质子的电荷半径进行新颖且更精确的测量。在对连续电子束加速器设施(用于核物理研究的DOE用户设施)进行升级之后，对PRad实验进行了优先调度，这是第一个获取数据并完成其运行的实验之一。该实验于2016年在杰斐逊实验室的实验厅B中获取了电子散射数据。

加斯帕里安说：“当我们开始这个实验时，人们正在寻找答案。但是，要进行另一个电子-质子散射实验，许多怀疑论者不相信我们可以做任何新的事情。” “如果想提出新的东西，就必须提出一些新的工具，某种新的方法。而我们做到了—我们进行的实验与其他电子散射实验完全不同。”

合作组织建立了三种新技术，以提高新测量的精度。首先是新型无窗目标系统的实施，该系统由美国国家科学基金会重大研究仪器基金资助，并且很大程度上由杰斐逊实验室的目标小组开发，制造和运营。

无窗目标将冷冻氢气直接流入CEBAF的1.1和2.2 GeV加速电子流，并使散射电子几乎不受阻碍地移动到探测器中。

“当我们说无窗时，我们说的是管子对加速器的真空是开放的。这看起来像是一个窗口，但是在电子散射中，窗口是管子末端的金属盖，那些已经实验发言人，密西西比州立大学教授Dipangkar Dutta说。

“这是人们第一次真正在杰斐逊实验室将气流目标放在束流线上，”杜克大学实验联合发言人，亨利·纽森教授高海燕说。“真空度很好，因此我们可以让电子束穿过目标进行实验，实际上我们在入射箔上有一个孔，在出口箔上有一个孔。本质上，电子束刚好直接穿过氢气，看不到任何窗户。”

下一个主要区别是使用量热仪而不是传统上使用的磁能谱仪来检测由于入射电子撞击氢的质子或电子而产生的散射电子。重新设计的混合量热计HyCal测量了散射电子的能量和位置，而新建的气体电子倍增器GEM检测器也以更高的精度检测了电子的位置。

然后，将来自两个探测器的数据进行实时比较，这使核物理学家可以将每个事件分类为电子-电子散射或电子-质子散射。这种对事件进行分类的新方法使核物理学家能够将其电子-质子散射数据归一化为电子-电子散射数据，从而大大减少了实验不确定性并提高了精度。

最后的主要改进是将这些检测器的位置与电子束撞击氢靶的角度距离非常近。通过合作，该距离可以降至不到一度。

杜塔说：“在电子散射中，为了提取半径，我们必须使散射角尽可能小。” “要获得质子半径，您需要外推到零角，这在实验中是无法获得的。因此，越接近零，越好。”

“我们探索的区域具有如此大的前向角，并且具有如此小的四动量传递平方，以至于它在电子-质子散射中从未达到过，”爱达荷州立大学的实验副发言人兼教授Mahbub Khandaker补充道。大学。

合作者说，结果是独特的，因为它使用了一种通过电子散射的新技术来确定质子电荷半径。现在，他们期望将结果与质子半径的新光谱测定结果以及即将在全球范围内进行的电子和μ子散射测量结果进行比较。

此外，这一结果也为质子半径难题首次浮出水面时提出的新自然力的猜想提供了新的思路。

杜塔说：“当最初的质子半径难题于2010年问世时，社区中就有希望，也许我们已经找到了自然的第五种力，这种力在电子和介子之间的作用不同。” “但是PRad实验似乎为这种可能性关闭了大门。”

他们说，下一步是考虑使用这种新的实验方法进行进一步的研究，以在该主题和相关主题(例如氘核的半径，氘核)上获得更高的精度。

高说：“很有可能我们可以将测量结果提高两倍甚至更多。”