不稳定的氦气限制了正在进行的质子大小的传奇

致力于研究这一主题的物理学家实际上并不太喜欢物理学，因为他们总是希望物理学会破裂。但是我们必须原谅他们；发现有些理论不可能解释实验结果，这表明我们可能需要一种新理论，这将激发任何物理学家的兴趣。

近年来，看起来最破裂的事情之一是看似简单的测量：质子的电荷半径，是其物理尺寸的度量。用氢原子进行的测量为氢提供了一个答案，氢原子具有一个环绕质子的单电子。用较重的粒子（称为μ子）代替电子的测量结果为我们提供了不同的答案-两种结果不兼容。为了消除这种差异，已经付出了很多努力，并且它已经变得越来越小，但是并没有消失。

理论家对此垂涎三尺。标准模型没有空间容纳电子和μ子之间的这种差异，那么这是否可能表明标准模型是错误的呢？一些较早的测量结果背后的团队现在又返回了一个新的测量结果，该跟踪结果是跟踪介子在氦原子核上运行的行为。该结果与氦的电荷半径的其他测量结果一致，表明该μ子没有什么可笑的。因此，标准模型可以松一口气。

简而言之，所涉及的测量非常疯狂。介子本质上是电子的重形式，因此在原子中用一个取代另一个相对简单。介子质量为这类测量提供了一些优势。质量确保了μ子的轨道如此紧凑，以至于其波函数与原子核的波函数重叠。结果，μ子在绕核运动时的行为对核非常敏感。充电半径。

如果不是因为μ子是不稳定的，并且通常在不到两微秒的时间内衰减，那么所有这些都将是很棒的。由于氦通常在轨道上有两个电子，并且它们可以互相作用，因此将一个轨道放在氦核周围会增加复杂性。目前，核-介子-电子的预期三向相互作用超出了我们的计算能力，这意味着如果实际行为与理论不同，我们将一无所知。

因此，研究人员通过产生一个由氦原子核和一个绕其运动的单介子组成的带正电的离子，解决了这个问题。制作其中之一（或更正确地说，制作数百个）是精神错乱的开始。

研究人员可以使用由粒子对撞机产生的一束介子束，他们决定将束束引入氦气中。在此过程中，由于μ子进入，它们具有太多的能量无法停留在氦核周围的轨道上，因此它们会反弹，每次碰撞都会失去能量。一旦μ子足够慢地减速，它们就可以进入氦原子的高能轨道，并在此过程中撞出其电子之一。但是第二个电子仍在附近，使任何电势测量变得混乱。

但是，由于介子的质量，介子具有很大的动量，并且原子内的能量传递比向环境损失能量要快。因此，当介子将其一些能量转移给电子时，电子的质量较小，可以确保这足以将电子从原子中引导出来，并且我们留下了一种氦离子。幸运的是，所有这些事情发生得足够快，以至于μ子没有机会腐烂。

至此，μ子通常处于能量较低但比基态具有更多能量的轨道。研究人员建立了一个对实验中的介子外观敏感的触发器。在允许μ子启动两个电子的延迟之后，触发器使激光以适当的能量击中样品，从而将μ子从2S轨道提升到2P轨道。从那里，它将衰减到基态，在此过程中释放X射线。

许多介子不会进入2S轨道，激光不会对其产生影响。研究人员愿意牺牲他们制造的许多氦离子，以便对处于正确状态的氦进行精确测量。它们的存在是通过检测具有正确能量的X射线发出的。为了进一步确保他们正在寻找正确的事物，研究人员仅获取了与介子衰变产生的高能电子有关的数据。

请记住，所有这些操作必须足够快地发生，以便在μ子衰减之前的微秒时间窗口内发生。

第一步涉及将激光调至合适的频率，以使介子升至2P轨道，因为这是我们需要测量的值。这是通过在整个频率范围内调节可调激光器直到氦气开始产生X射线来完成的。一旦确定了频率，研究人员就可以收集10天的数据，足以进行频率的精确测量。在这段时间内，研究人员观察到582个氦离子离子。

根据使用激光频率的计算，研究人员发现氦原子核电荷半径为1.6782飞米。通过使电子从原子核弹起而进行的测量表明该值为1.681。这两个值均在实验误差范围内，因此它们具有很强的一致性。

在最简单的水平上，μ子测量结果与独立进行的测量结果一致这一事实表明，μ子没有什么特别之处。因此，说同一话的标准模型完整地降低到此处的实验误差所允许的相当小的限制。 （当然，这并不是说它没有以其他方式破坏。）因此，各地的理论家都会感到失望。

除了有趣的是，研究人员还将其价值与几十年前在CERN的粒子加速器中产生的价值进行了比较。 事实证明，该值是相似的，但只是偶然，因为早期的工作有两个抵消误差。 ＆＃34;他们引用的费用半径与我们的价值相差不远，＆＃34; 研究人员指出，＆＃34;但这可以追溯到错误实验与不完整的2P-2S理论预测相结合的尴尬巧合，偶然会产生一个不太正确的值。 因此，在这种情况下，两个错误的确是对的。 无论如何，这项工作将集中研究人员。 注意力重新集中在试图弄清楚为什么用质子进行不同的实验而产生的结果并不完全相同的原因上，因为我们不能将事情归咎于奇怪的介子。 同时，我们都可以体会到，我们能够在很短的几分之一秒之内用μ子做很多事情，这真是太神奇了。