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世界上最精确的氘核质量出来了!我们离中微子质量还远吗?-岩拓气凝胶

世界上最精确的氘核质量出来了!我们离中微子质量还远吗?

重磅!4篇Nature/Science齐发:世界上最精确的氘核质量出来了!我们离中微子质量还远吗?

原子核质量的精密测量一直以来是物理学和化学的重要课题之一。最轻的原子核的质量和电子的质量是相互联系的,它们的值影响原子、分子和中微子物理以及计量学中的观测值。

原子可以结合在一起形成分子,当它们结合在一起时,它们的键就会像弹簧一样振动。分子振动驱动细胞中的生物过程并定义固体的性质,而分子振动的频率最终取决于原子核的质量。

有些原子核具有放射性,这意味着它们会衰变成一个较轻的原子核,同时产生一些轻的(高能的)基本粒子,比如电子和幽灵中微子。如果精确知道母核和子核之间的质量差Δm,按照爱因斯坦著名的能量-质量关系E=mc2,则可以通过计算∆mc2来预测生成的基本粒子的总能量和质量。这一原理是实验的基础,能够回答当今物理学中最大的问题之一:难以捉摸的中微子的质量是多少?

总之,原子核的质量值代表了物理学和化学研究的丰富信息来源。但目前,科学家们关于原子核质量的精确测量结果难以保持一致。

◉精确测量原子核质量的难题

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旋转分子HD+包括一个氘核和一个质子。这两个粒子被一个电子束缚,电子的作用就像一个振动的弹簧。HD+的转动和振动频率反映了氘核和质子的质量,以及物理的基本定律。但是由于原子核质量测量的结果不一致,这些定律的解释难以服众。

一个氚原子(氢同位素氚的原子核)衰变成一个太阳子(氦-3原子的原子核)、一个电子和一个称为中微子的基本粒子。未知的中微子质量,原则上可以由衰变产物的能量来确定。然而,如果不能精确地知道太阳子质量,那么这种方法得出的结果可能会遭到质疑,而且和太阳子质量的测量结果是矛盾的。

2020年9月2日,德国的Rau团队在《Nature》中发表了名为Penning trap mass measurements of the deuteron and the HD+molecular ion的论文中表示,他们已经获得了超精密测量的氘核和HD+质量,而这将有助于解决上面这些问题。同期Jeroen C. J. Koelemeij在《Nature》NEWS AND VIEWS专栏发表题目为“Precise measurement of deuteron mass raises hopes of solving the nuclear-mass puzzle”的评论。

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◉彭宁离子阱——原子核质量测量工具

原子核是一个带电粒子,这意味着它的运动路径可以被磁场偏转。这一原理的极端版本构成了彭宁离子阱装置的基础,这也是Rau团队所使用的装置。彭宁离子阱是一个可以储存带电粒子的装置,它使用均匀轴向磁场和不均匀四极电场束缚离子。特别适合于精确测量离子和稳定的亚原子粒子的特性。

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彭宁离子阱使用了轴向的强匀磁场来限制粒子的径向轨迹,用四极电场来限制轴向轨迹。使用三个一组的电极产生的静电势:一个环形电极和两个末端电极。

在一个理想的彭宁离子阱中,环和末端旋转拉伸出来的双曲面。在捕获正(负)离子的情况下,末端电极相对于环被维持在正(负)电位。

这种电势在产生势阱产生了一个“鞍点”,因此将离子限制在轴向的中心。电场使得离子在轴向中心运动的时候不断振荡(理想状态下振荡成简谐运动)。配合电场使用的磁场使得带电粒子在径向平面的运动中画出一个外旋轮线。

◉Rau团队的彭宁离子阱

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a,彭宁离子阱剖面图;b,目标的电子显微镜图像;c,单氘核的轴向倾斜信号;d,填隙后剩余磁瓶磁场分量b2/b0的测量。

 

每种离子同时加载到彭宁离子阱中,并在精密阱(PT)中交替测量,而另一种离子被存储在相邻的存储阱(ST)中。在这项工作中没有使用磁强计陷阱(MT)。微型电子束离子源(mEBIS)用于离子的产生。在Rau团队的设置中,陷阱塔是垂直的,ST1在顶部。

用来产生氘离子的氘化分子的印刷层是一个八角形较暗的区域。加速后的电子穿过中心的一个700 μm的洞,被反射回来并击中氘化区。

测量原理利用微小的交流电流,它是由运动的氘核的电荷在电极的内表面感应出来的。根据这些图像电流,可以确定氘核的轨道频率,它与它的质量成反比。接下来,用一个碳原子核代替氘核,并测量其轨道频率。

在以前的质量测量中,由于磁场与理想状态的偏差而限制了测量精度,从而导致了不完全的磁场抵消。因此,Rau等人使用可调超导电磁线圈来测量这些偏差,并将其抑制100倍。这种抑制使md的测定精度达到了万亿分之八(p.p.t.),是迄今为止已知的最精确的粒子质量。

然而,Rau和他的同事测量到的氘核质量比之前最先进的md值小了大约100 p.p.t.——是其规定精度20 p.p.t.的5倍。这种情况让人想起质子质量mp和氦-3原子核(也被称为太阳子mh)的质量观测值存在类似的巨大差异。

◉Rau团队避免了相互矛盾的质量值

自然界中最简单的分子是氢离子H2+和HD+(一个质子和一个氘核,由一个电子束缚)。研究这些离子的科学家们试图验证量子电动力学(在解释粒子和原子行为方面非常成功的理论)对分子也有效。然而,由于观测到的质量差异,该理论预测氢分子转动和振动频率的精度受到严重阻碍。同样,相互矛盾的质量值可能会影响通过研究氚的核衰变来确定中微子(氢的放射性同位素)质量的实验结果。

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轻离子质量测量的概述,包括论文中进行的测量和最近测量的氘质子质量比

为了纠正这种情况,Rau团队还使用他们的彭宁离子阱测量了HD+离子的质量。从这个测量中,作者提取了mp+md之和的值,发现它与分别从单个质子和氘中得到的mp和md值非常吻合。此外,所有的结果都与最近精确测量的氘-质子质量比,md/mp,以及HD+的旋转光谱和振动光谱的实验结果一致。这些成功的一致性检查表明,作者的mp精确值和md的当前值(这两个值起初可能看起来不一致)毕竟是可靠的。(质子质量,mp;太阳子质量,mh;氘核质量,md

12C6+为基准,氘核的质量由下式得出:

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最精确的氘核质量值

◉与计量学的相互验证

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无独有偶,在Rau团队发布这篇论文后的第二天,2020年9月4日,Patra团队在Science中发表的报告Proton-electron mass ratio from laser spectroscopy of HD+ at the part-per-trillion level中指出:HD+的激光光谱能够得出质子与电子的质量比。同期Masaki Hori在《Science》发表题目为“High-precision molecular measurement”的展望。

研究人员将HD+分子置于彭宁离子阱中,并用铍离子将其包围。铍离子有助于冷却HD+分子,使HD+光谱线变窄,从而可以通过与理论预测进行比较来提取质子和电子的质量比。

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含有约1000个铍离子(冷却到低于10 mK)的库仑晶体的虚拟彩色图像。椭圆晶体的长径为∼1mm。少量HD+(不可见)悬浮在晶体中心较暗的水平带中。
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部分能级图和多光子跃迁光谱
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在415 THz的双光子跃迁的光谱

彭宁离子阱中最近对轻原子核的质量测量表明,在紧密相关的物理常数(如质子、电子和氘化质子质量比)中可能存在不一致的地方。这些量还会影响HD+在其电子基态下的预测振动光谱。Patra团队使用无多普勒双光子激光光谱仪来测量v (振动量子数)= 0→9泛音跃迁,不确定度为2.9万亿分之一。

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物理常数的值

通过利用高精度的从头计算,将测量值转换为对质子-电子和氘-质子质量比的严格约束,与最近对彭宁离子阱的这些量的确定一致,使得质子-电子质量比的值达到21万亿分之一的精度。

◉总结

Rau团队给出了氘核和HD+分子离子的绝对质量测量结果(以12C作为质量参考)。氘核质量值为2.013553212535(17)个原子质量单位,其精度比科学和技术数据委员会(CODATA)给出的值高出2.4倍,与CODATA值相差4.8个标准偏差。HD+分子离子质量为3.02137824561(61)个原子质量单位,不仅能对氘核和质子质量的结果进行严格的一致性检查,而且还为氚和氦-3的质量与原子质量单位建立了额外的联系。

尽管Rau和他的同事们取得了重大进展,但仍有难题存在。测定质量差mp+mdmh的多种方法产生了不一致的结果,这取决于使用的是新的质量值还是旧的参考值。作者的工作表明,太阳子的质量,mh,可能是这种不一致性的根源,它为新的质量测量提供了强有力的动力。

Patra团队的工作建立了HD+的精密光谱学,并结合了从头算起的量子分子计算,以此作为确定基本质量比的最新方法。它进一步提供质量比和其他物理常数,并且阐明了最近观察到的值之间的大的偏差。这对未来物理常数参考值的一致性和精度产生显著影响。

而我们从这些科学家中的工作中学到最有价值的一课是,在精密测量的艺术中,没有任何结果是完全独立的。

论文链接:

1.https://www.nature.com/articles/s41586-020-2628-7

2.https://science.sciencemag.org/content/369/6508/1238

3.https://www.nature.com/articles/d41586-020-02474-3

4.https://science.sciencemag.org/content/369/6508/1160

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