MIT历时7年的神秘“奥林巴斯试验”曝光，揭开质子结构的秘密

麻省理工学院一项持续了7年，旨在揭开质子结构秘密的实验，近日获得了阶段性成果。

多年来，科研人员们一直采用以电子撞击质子，再分析散射电子特性的方法，来研究质子结构，以确定质子的电荷和磁荷的空间分布。

根据之前的实验结果，科学家们推测，质子的电荷和磁荷分布规律相同。此外，当电子群与质子群发生碰撞时，会产生单光子交换效应。

然而，到了21世纪的最初期，科学家开始用极化电子束，通过质子和电子的自旋特性，来测量电子-质子弹性散射的特性。这些实验的结果表明，用高能电子轰击质子时，质子的电荷和磁荷会产生巨大的差异。

因此，科学家推测，在实验中发生了双光子交换效应——而不是之前的单光子——从而导致了电荷和磁荷分布规律的偏移。

此外，科学家还推测，参与双光子交换的2个光子都是高能光子。

为了验证“双光子交换”的假说，以麻省理工学院原子科学实验室领头的国际科学家团队，利用了位于德国汉堡的电子同步加速器（DESY），开展了长达7年的实验。这个实验被外界称为“奥林巴斯”（OLYMPUS）。

在本周的《Physical Review Letters》上，研究团队发表了实验结果，并宣布：电子-质子相互作用时，确实发生了双光子交换效应。

然而，与理论预期不同的是，“奥林巴斯”实验证明：大多数情况下，参与交换的双光子中，只有一个光子是高能的，另外一个光子的能级相当低。

来自MIT的物理学教授理查德·米尔纳（Richard Milner）是实验的带头人。他表示，实验数据中几乎没有发现高能双光子交换的迹象。

Richard Milner

“奥林巴斯”研究计划于本世纪初被提出，2010年正式获得拨款。

研究团队首先把位于MIT的BLAST谱仪——一个体积高达125立方米的大家伙——运到德国，加以改装并安装到德国设备上。然后他们在2012年进行了3个月的实验，直到加速器年末关闭。

与此同时，美国和俄罗斯的两个研究机构也在进行用正电子和电子轰击质子的实验。将德国、美国和俄罗斯的实验结果对比后，核能科学实验室的首席科学家道格拉斯·哈希尔（Douglas Hasell）指出，三者的实验结果指向了同一个结论。

哈希尔表示，用正电子和电子轰击质子，结果显著不同。通过对比结果，可以推断双光子交换效应的存在。

尽管对撞实验只进行了3个月，但数据分析却耗去了3年时间。

当然，理论预期和实验数据的差异，意味着未来还要进行更多的实验，在使用更高的能量碰撞时，双光子交换效应应该更强。

但是问题也来了，如果使用更高的能量进行碰撞，实验数据的精度就难以达到“奥林巴斯”实验的水准。

哈希尔表示，如果要在更高能量下达到同样的精度，要么改进实验设备，要么增加实验时间——持续进行几年的实验，而不是几个月。

研究团队期待着物理学界的反应，并将根据反馈决定如何进行下一步实验。

“理论物理学家可以根据实验结果，修正理论模型，并据此推论高能态和低能态下的物理现象。”哈希尔说道，“然后，再由实验物理学家来验证。”

参考：http://news.mit.edu/2017/olympus-experiment-structure-protons-0303

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