氫是宇宙中最常見(jiàn)、最基礎(chǔ)的元素，但其質(zhì)子電荷半徑大小仍是未解之謎。德國(guó)科學(xué)家在最新一期《科學(xué)》雜志撰文指出，他們利用高精度頻梳技術(shù)，在高分辨率氫光譜中激發(fā)氫原子，首次將量子動(dòng)力學(xué)的測(cè)試精確到小數(shù)點(diǎn)后13位，在此過(guò)程中測(cè)得質(zhì)子電荷半徑為0.8482(38)飛米(1飛米為10-15米)，精度是此前所有測(cè)量結(jié)果的2倍。

無(wú)處不在的質(zhì)子，位于每個(gè)原子的核心，已成為許多研究和實(shí)驗(yàn)的主題，但質(zhì)子電荷半徑究竟有多大，一直是個(gè)未解之謎。十多年前，科學(xué)家借助光譜學(xué)法與散射法給出了基本一致的測(cè)量結(jié)果：0.88飛米。然而2010年，科學(xué)家用μ介子—氫原子光譜法測(cè)得的質(zhì)子電荷半徑卻是0.84飛米，質(zhì)子“變小”了4%!因此多年來(lái)，科學(xué)家一直在努力研究這個(gè)不同尋常的“質(zhì)子電荷半徑之謎”。

為解開(kāi)這個(gè)謎，在最新研究中，MPQ團(tuán)隊(duì)借用一種完全不同的互補(bǔ)方法來(lái)測(cè)量氫原子軌道上電子能級(jí)之間的躍遷。他們利用一種雙光子頻梳譜儀，得出質(zhì)子電荷半徑為0.8482(38)飛米，精度為之前所有針對(duì)氫開(kāi)展的測(cè)量值的2倍，而且，該研究首次將量子動(dòng)力學(xué)的測(cè)試精確到小數(shù)點(diǎn)后13位。

最新研究也是頻梳光譜學(xué)領(lǐng)域的里程碑。研究人員解釋說(shuō)，迄今他們對(duì)氫和其他原子、分子進(jìn)行精確光譜分析，用的幾乎全是連續(xù)波激光，而頻梳由脈沖激光產(chǎn)生，此類激光器使科學(xué)家有可能進(jìn)入極短波長(zhǎng)的紫外線范圍，而連續(xù)波激光無(wú)法做到這一點(diǎn)。此外，科學(xué)家們一直無(wú)法用激光精確地研究氦離子等他們感興趣的離子，最新研究朝改進(jìn)這一狀況邁出了重要一步。研究人員表示，希望這些紫外頻梳能用于直接冷卻氫和碳等重要的生物化學(xué)元素，以便更精確地研究它們。