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物理系劉怡維副教授研究團隊 研究成果刋登Nature封面故事【2010.07.28秘書處】

本校物理系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。

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