質子縮小了

清華大學物理系副教授劉怡維領導研究團隊實驗確認，質子的大小比物理科學界公認的○．八七六八飛米更小，不但挑戰現有相關理論與實驗的正確性，更讓百年來建立的原子物理學出現矛盾，撼動物理學基礎與普遍認知。

這項研究成果日前在國際頂尖期刊《科學》發表，引起全球物理界廣泛討論。清大校長陳力俊表示，質子的大小向來被物理學界喻為世紀之謎，這項研究成果發表後，讓物理學家又有很多工作可以做。

劉怡維研究團隊透過瑞士保羅謝勒研究所同步輻射加速器提供的渺子（特性像電子，但質量為電子的二百倍）氫原子，以雷射系統實驗確認質子的電核半徑為○．八四○八七飛米（一百萬分之一奈米），較物理學界目前公認的○．八七六八飛米更小。

陳力俊強調，劉怡維研究團隊兩年多前首次發現，質子大小比過去公認數值小四％，研究發表在《自然》期刊，這次在《科學》期刊發表，在學術界是無法想像的特殊。

他說，這兩本國際頂尖期刊競爭非常激烈，同一系列不同階段的研究成果，很難先後在兩個期刊發表，劉怡維這次能夠「跳槽」期刊發表，在過去幾乎是不可能的事。

劉怡維表示，量測各種粒子的大小，都是根據量子電動力學等理論經過實驗間接反推，科學家過去研究質子大小也是如此。但經由這次實驗結果證實質子比目前公認的大小還要小，顯示普遍被科學界接受的量子電動力學「可能有些問題」。這項發現也直接挑戰光與物質基礎理論及目前最精確基本物理常數的正確性。 

        劉怡維副教授及其研究團隊，參與10年的奇異氫原子國際研究計畫，日前有了重大的突破，發現質子的大小比預期的數值減少4%，這項最新的研究結果，已刊登在7月8日的「自然」（Nature）科學期刊，並成為當期的封面故事，預料將引起物理界的一大震撼。

本實驗成功的結合了來自三大洲的32位科學家共同合作，在擁有世界最強大渺子束源設備的瑞士保羅謝勒研究所進行，其中亞洲地區就只有劉副教授的研究團隊參與。他所帶領的原子分子光學(AMO)研究群團隊，於本研究中專注於以精密量測檢驗基本物理理論的研究方向。

研究人員以奇異氫原子光譜的精密量測，以達到高精確度的質子半徑量測。所謂奇異氫原子是由一個帶負電的渺子(muon)圍繞著一個質子所形成，渺子可以看成是質量重了200倍的電子，也因此渺子的運行軌道比在正常的氫原子內電子的軌道小了200倍，它更加靠近質子。渺子因是如此接近質子以致於它比電子更容易感覺到質子在空間中占有的體積，並且在渺子的運行軌道上造成明顯而且較容易被測量到的效應。該實驗使用特製雷射和新型的渺子束，讓研究者可以測量這些渺子軌道的特性，進而決定質子的半徑。

這項突破性實驗從構想到實驗完成共花費了40年的時間。實驗從2001年開始，歷經2002、2003和2007年的研究與尋找都不成功，及至2009年夏天終於有了關鍵性的突破。在長達三個月的實驗設備安裝與調整，以及三個星期的日以繼夜數據收集後，2009年7月5日傍晚，科學家終於偵測到明確的訊號。接下來經過漫長並仔細的數據分析，比過去更精確十倍的質子半徑數值0.84184飛米 (1 飛米 = 10-15米) 被推導出，這個數據明顯地與現今的公認值0.8768飛米不一致，足足小了4個百分比。這個結果不只背離了目前所有的相關理論與實驗，更讓百年來建立的原子物理學出現了矛盾與不一致，當前已被精確地檢驗過的光與物質基本理論─即量子電動力學 (Quantum electrodynamics, QED)的正確性，或是目前最精確的基本物理常數─雷德堡常數，都將面臨挑戰。對此，科學家們仍在討論差異存在的可能原因。

劉副教授表示，本研究結果預估會使全球的科學家依新發現的質子尺寸，重新檢視物理理論與實驗計算結果，他有自信這項新的數據五年內不會被推翻。陳力俊校長也說，預期本研究成果將使物理學出現新理論，現有的物理學教科書可能近期內都須進行改寫。 

改寫物理學

　上周發行的國際頂尖期刊「自然（nature）」，封面取材的研究，震撼全球物理學界，這項由清華大學物理學系副教授劉怡維研究團隊參與的國際計畫發現，質子半徑比目前所知還小了約4%、體積小12%。

　　清大校長陳力俊指出，這項發現很可能改變「量子電動力學」、動搖號稱「最精確的物理常數」－「雷德堡常數」，物理教科書也可能因此改寫。

　　質子、中子和電子是構成原子的三種主要粒子，質子和中子組成原子核，電子圍繞著核外的軌道運行。劉怡維表示，氫原子構造簡單，原子核只是一個質子、外面繞一個電子，所以也是量子物理最好的研究對象。

　　2001年劉怡維加入6個國家、12個研究機構、32位科學家合作的研究團隊。他們以「渺子」（帶負電，比電子重200倍的「短命電子」，生命期只有百萬分之二秒）取代原本氫原子的電子；再用這種叫「奇異氫原子」（exotic hydrogen atom）的粒子研究。劉怡維解釋，渺子能比電子接近質子200倍，更能「感覺」到質子大小。

　　過去也有很多人做過類似研究，但都不成功，可是劉維怡參加的研究團隊透過特製雷射和新型的渺子束測量渺子軌道特性，進而決定質子半徑，去年7月終於有了結果。

　　劉怡維說，他們測得的質子半徑為0.84184飛米（1飛米等於10的-15次方，相當於1000兆分之一），誤差範圍為0.0074飛米，比以往實驗的精確度提高10倍。

　　劉怡維指出，質子「變小」意味著「百年來的原子物理必須重新檢討」，可以說是「物理學產生了破洞」，最近已經引發許多頂尖物理學家研究、討論，大家紛紛想著要怎麼「把這個破洞補起來」。另外，號稱最精確的物理理論－「量子電動力學」和號稱最精確的物理常數、計算原子能級用的「雷德堡常數」也可能要重新檢驗。