【Science翻譯整理】物理學危機？

寫在前面：

簡單的科普，from人教物理選修3-5

強子：參加強相互作用的粒子，質子是最早發現的強子。強子分為重子和介子。

輕子：不參與強相互作用。最早發現的是電子，其它還有電子、中微子、μ子和μ子中微子、τ子和τ子中微子。每種輕子都有對應的反粒子。目前只發現了以上六種輕子。其中τ子的質量比核子還大，但從力的性質上講仍是輕子。現代實驗還未發現輕子內部結構。

媒介子：傳遞相互作用的粒子。如光子，中間玻色子，膠子。光子傳遞電磁相互作用，中間玻色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強相互作用。

文中的核心對象muon，有道上譯的是μ介子，這其實是歷史上的一個錯誤，它一度被認為是一種強子，現在已更名μ子（M子或渺子），是輕子的一種。度娘百科上仍擺著錯誤的μ介子解釋，我多方（並沒有）查證才確認兩者的淵源。

研究人員觀察到μ子繞原子的轉動，確認物理學出現危機

——質子電荷半徑不應該改變，然而它似乎確實改變了

美中央時間 2016年8月12日 7：05am

保羅謝爾研究所（註：瑞士最大國家研究所）

原文John Timmer

鏡子文明 譯

麻雀雖小五臟俱全，質子有著足夠容納3個夸克及它們之間的膠子的空間容量。質子半徑大小是由這些粒子和它們之間的相互作用決定的，本質上是由標準模型和量子色動力學解釋的。

我們能夠測量質子半徑因為質子的電磁相互作用力場作用於質子周圍，能夠影響繞核運動的任何電子。通過電子的效應獲得的測量值很容易與現有理論相吻合。

但幾年前，研究者們將一個「重版電子」，也就是μ子，放到了一個氕核外的軌道上。這就形成了一個獨特的重版氫原子。在測量這個質子的半徑時，研究人員得到了出乎意料的數值——一種理論上不可能的數值。

μ子製造了質子難題

對我們來說，電子是很熟悉的對象，因為它們是我們肉眼所見物質的組成部分。但它們隸屬於一個更大家族（帶電輕子），其中大部分成員都更重並且很不穩定。μ子是其中一員，質量接近質子而半衰期僅為2.2微秒。但是除了質量和不穩定性，μ子應當和普通的電子沒什麼區別。

一個大型研究團隊已經通過替換電子的方法測試了這個結論，創造了一種獨特的氫原子。在μ子衰變前的極短時間內，這些原子的性質能夠被測量。該團隊專註於追蹤μ子在氫核外變換軌道產生的能量，以此推斷氫核的電荷半徑。

他們首次嘗試就展現了奇怪的結果：他們得到的半徑數值顯著地小於通過電子測量得到的數值。還記得嗎？μ子和電子應當是等價的，因此不應該產生差異。目前我們沒有任何物理理論能解釋這種差異。

這項發現具有超過5 的統計顯著性，這是物理上宣布新發現的標準。儘管如此，這仍然可能被當成某種實驗怪像否決掉。或者至少團隊需要繼續收集數據，將顯著性推高到7 來鞏固這個發現。在這一點上，還無法確認我們所知的這個 「質子半徑之謎」。

這個發現聽上去並不像個重要的謎題，但請記住質子半徑是與標準模型捆綁在一起的，所以這個結果是在暗示著我們對基礎物理的理解出現了錯誤。自然而然的，理論體系應當迫切地回應並且發展一些新的、引入能夠影響質子和μ子相互作用另外一種基本力的模型。

μ子結合氘核

現在，原始團隊帶來了新的測量值。團隊用有一個質子和一個中子的氘核代替單獨的質子。中子的存在應當改變電子和μ子對質子的感應。團隊測定了最終形成的μ子氘核的性質，以期發現這是否改變了質子半徑之謎。

我們值得花些時間來欣賞這些測量的高難（吐槽：我想著也是，太難了，這些人怎麼這麼牛逼）。μ子由粒子加速器製造，意味著它們是高能粒子。這很有用，因為這意味這它們能極為逼近光速，使它們能服從相對論時間膨脹並且在固定實驗儀器為參考點的參考系中減緩衰變。但是為了能繞原子做軌道運動，它們又不得不減速，意味著它們很快就會衰變。

專家們解決了這個問題。他們把μ子引入一個充滿氘核的小室並且令它們停止。一旦探測器發現μ子到達的跡象，激光器開始發射脈衝，提供μ子從2S軌道躍遷到2P軌道並釋放X射線的能量。正常運轉的這種設置，能讓專家們平均一小時探測到十束X射線，然後測量會顯示出其中三束會是背景干擾。

通過精確測量成功使μ子躍遷到更高能級的激光脈衝的波長，就有可能確定這些躍遷所需的能量。以此為基礎，就有可能計算質子電荷半徑。又一次，測量值不同於通過電子獲得的結果。又一次，差異極為顯著：

7.5 ，遠遠高出統計巧合（偶然誤差）能達到的差異。

研究者們貢獻了論文的一小節來描述這個以考慮變通的解釋，一種不需要修改標準模型的解釋。但這些解釋全都比直接把新結果當作偶然還要糟糕，使得違背這些替代解釋的可能性從44 上升至160 。

因此，質子半徑之謎仍然是個謎。團隊的工作重心是大量可能幫助闡明這個問題的測量實驗。有些測量引入用電子測量的更精確的測量方法，另外一些在質子周圍散射μ子看是否有未知作用力在起作用。後者將告訴我們是否需要在標準模型之上加點什麼來解決這個謎團。

Science, 2016. DOI: 10.1126/science.aaf2468 (About DOIs).

John Timmer/John 2007年成為美國科技博客的科學編輯，之前在伯克利和康奈爾做過15年的生物研究。