質子質量前所未有的精確量測

對一個基本常數的重新認定會對其他度量衡的量產生漣漪效應

在基本粒子的動物園裡不乏一些像K介子(K meson)和五夸克(pentaquark)等異類，但也有建構我們日常生活的三寶：質子、電子、與中子。我們對質子質量特別有興趣，不只是因為那是質子最主要的本質，也因為在精確測定中子質量與其他物理量時必須用到質子質量。德國馬克斯.普朗克的核物理研究所的一個由斯文.史特姆(Sven Sturm)所領導的團隊測量了質子的質量，其精確度高達一兆分之32，這是比之前所達到的精確度進步了三倍之多。他們測量的結果，質子質量 m_p = 1.007276466583 amu (原子質量單位)，比現行結果低了大約一兆分之三百。

如同其他做過質子質點精確量測的團隊，史特姆與他的同僚們使用了以電場和磁場來捕捉離子的彭寧離子阱(Penning trap)。經過他們改良之後，研究者們可以快速的交替捕捉質子與碳12重離子¹²C⁶⁺，並測量出他們在離子阱磁場中的迴旋加速器頻率(cyclotron frequency) qB/2πm。質子質量則由兩者的頻率比得出。過程中碳12原子的質量是定義為正好等於12 amu，而且精確計算¹²C⁶⁺離子質量所需之修正是早已眾所周知的。

離子在彭寧離子阱中的運動，可以被分解為垂直於磁場方向的較快速與較慢的圓運動，以及平行磁場方向的振盪運動。如此，迴旋加速器頻率必須經由觀察這兩種運動的複合軌跡中梳理出來。量測誤差的最大來源在於離子阱中磁場可能是不均勻的。

在此之前學界對氦-3 (³He)質量，有兩個結果相差了三個標準差的量測。史特姆團隊所量得的較低的質子質量有可能成為解決這個差別的關鍵。那兩個³He質量彼此不相符的量測所運用的質子質量是史特姆之前大家所接受的數值。但若是使用史特姆的數據，則那兩個氦-3實驗結果的差別會少了一半。(參見F. Heiße et al., Phys. Rev. Lett. 119, 033001, 2017.doi:10.1103/PhysRevLett.119.033001.)
 

本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, Septermber/2017 雜誌內(Physics Today 70, 9, 23 (2017); http://dx.doi.org/10.1063/PT.3.3686)；原文作者：Steven K. Blau。中文譯稿：林中一教授，國立中興大學物理系。

Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Steven K. Blau, and are published on Physics Today 70, 9, 23 (2017); http://dx.doi.org/10.1063/PT.3.3686). The article in Mandarin is translated by Prof. Chung-Yi Lin, working on Department of Physics, National Chung Hsing University.

封面照片：J.Gabás Esteban; Flickr CC BY-NC-SA 2.0

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