原子核質(zhì)量的精密測(cè)量一直以來是物理學(xué)和化學(xué)的重要課題之一。最輕的原子核的質(zhì)量和電子的質(zhì)量是相互聯(lián)系的，它們的值影響原子、分子和中微子物理以及計(jì)量學(xué)中的觀測(cè)值。
原子可以結(jié)合在一起形成分子，當(dāng)它們結(jié)合在一起時(shí)，它們的鍵就會(huì)像彈簧一樣振動(dòng)。分子振動(dòng)驅(qū)動(dòng)細(xì)胞中的生物過程并定義固體的性質(zhì)，而分子振動(dòng)的頻率最終取決于原子核的質(zhì)量。
有些原子核具有放射性，這意味著它們會(huì)衰變成一個(gè)較輕的原子核，同時(shí)產(chǎn)生一些輕的（高能的）基本粒子，比如電子和幽靈中微子。如果精確知道母核和子核之間的質(zhì)量差Δm，按照愛因斯坦著名的能量-質(zhì)量關(guān)系E?=?mc2，則可以通過計(jì)算?mc2來預(yù)測(cè)生成的基本粒子的總能量和質(zhì)量。這一原理是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，能夠回答當(dāng)今物理學(xué)中最大的問題之一：難以捉摸的中微子的質(zhì)量是多少？
總之，原子核的質(zhì)量值代表了物理學(xué)和化學(xué)研究的豐富信息來源。但目前，科學(xué)家們關(guān)于原子核質(zhì)量的精確測(cè)量結(jié)果難以保持一致。
?精確測(cè)量原子核質(zhì)量的難題
旋轉(zhuǎn)分子HD+包括一個(gè)氘核和一個(gè)質(zhì)子。這兩個(gè)粒子被一個(gè)電子束縛，電子的作用就像一個(gè)振動(dòng)的彈簧。HD+的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)頻率反映了氘核和質(zhì)子的質(zhì)量，以及物理的基本定律。但是由于原子核質(zhì)量測(cè)量的結(jié)果不一致，這些定律的解釋難以服眾。
一個(gè)氚原子（氫同位素氚的原子核）衰變成一個(gè)太陽(yáng)子（氦-3原子的原子核）、一個(gè)電子和一個(gè)稱為中微子的基本粒子。未知的中微子質(zhì)量，原則上可以由衰變產(chǎn)物的能量來確定。然而，如果不能精確地知道太陽(yáng)子質(zhì)量，那么這種方法得出的結(jié)果可能會(huì)遭到質(zhì)疑，而且和太陽(yáng)子質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果是矛盾的。
2020年9月2日，德國(guó)的Rau團(tuán)隊(duì)在《Nature》中發(fā)表了名為Penning trap mass measurements of the deuteron and the?HD+molecular ion的論文中表示，他們已經(jīng)獲得了超精密測(cè)量的氘核和HD+質(zhì)量，而這將有助于解決上面這些問題。同期Jeroen C. J. Koelemeij在《Nature》NEWS AND VIEWS專欄發(fā)表題目為“Precise measurement of deuteron mass raises hopes of solving the nuclear-mass puzzle”的評(píng)論。
?彭寧離子阱——原子核質(zhì)量測(cè)量工具
原子核是一個(gè)帶電粒子，這意味著它的運(yùn)動(dòng)路徑可以被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)。這一原理的極端版本構(gòu)成了彭寧離子阱裝置的基礎(chǔ)，這也是Rau團(tuán)隊(duì)所使用的裝置。彭寧離子阱是一個(gè)可以儲(chǔ)存帶電粒子的裝置，它使用均勻軸向磁場(chǎng)和不均勻四極電場(chǎng)束縛離子。特別適合于精確測(cè)量離子和穩(wěn)定的亞原子粒子的特性。
彭寧離子阱使用了軸向的強(qiáng)勻磁場(chǎng)來限制粒子的徑向軌跡，用四極電場(chǎng)來限制軸向軌跡。使用三個(gè)一組的電極產(chǎn)生的靜電勢(shì)：一個(gè)環(huán)形電極和兩個(gè)末端電極。
在一個(gè)理想的彭寧離子阱中，環(huán)和末端旋轉(zhuǎn)拉伸出來的雙曲面。在捕獲正（負(fù)）離子的情況下，末端電極相對(duì)于環(huán)被維持在正（負(fù)）電位。
這種電勢(shì)在產(chǎn)生勢(shì)阱產(chǎn)生了一個(gè)“鞍點(diǎn)”，因此將離子限制在軸向的中心。電場(chǎng)使得離子在軸向中心運(yùn)動(dòng)的時(shí)候不斷振蕩（理想狀態(tài)下振蕩成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)）。配合電場(chǎng)使用的磁場(chǎng)使得帶電粒子在徑向平面的運(yùn)動(dòng)中畫出一個(gè)外旋輪線。
?Rau團(tuán)隊(duì)的彭寧離子阱
每種離子同時(shí)加載到彭寧離子阱中，并在精密阱（PT）中交替測(cè)量，而另一種離子被存儲(chǔ)在相鄰的存儲(chǔ)阱（ST）中。在這項(xiàng)工作中沒有使用磁強(qiáng)計(jì)陷阱（MT）。微型電子束離子源（mEBIS）用于離子的產(chǎn)生。在Rau團(tuán)隊(duì)的設(shè)置中，陷阱塔是垂直的，ST1在頂部。
用來產(chǎn)生氘離子的氘化分子的印刷層是一個(gè)八角形較暗的區(qū)域。加速后的電子穿過中心的一個(gè)700?μm的洞，被反射回來并擊中氘化區(qū)。
測(cè)量原理利用微小的交流電流，它是由運(yùn)動(dòng)的氘核的電荷在電極的內(nèi)表面感應(yīng)出來的。根據(jù)這些圖像電流，可以確定氘核的軌道頻率，它與它的質(zhì)量成反比。接下來，用一個(gè)碳原子核代替氘核，并測(cè)量其軌道頻率。
在以前的質(zhì)量測(cè)量中，由于磁場(chǎng)與理想狀態(tài)的偏差而限制了測(cè)量精度，從而導(dǎo)致了不完全的磁場(chǎng)抵消。因此，Rau等人使用可調(diào)超導(dǎo)電磁線圈來測(cè)量這些偏差，并將其抑制100倍。這種抑制使md的測(cè)定精度達(dá)到了萬(wàn)億分之八（p.p.t.），是迄今為止已知的最精確的粒子質(zhì)量。
然而，Rau和他的同事測(cè)量到的氘核質(zhì)量比之前最先進(jìn)的md值小了大約100 p.p.t.——是其規(guī)定精度20 p.p.t.的5倍。這種情況讓人想起質(zhì)子質(zhì)量mp和氦-3原子核（也被稱為太陽(yáng)子mh）的質(zhì)量觀測(cè)值存在類似的巨大差異。
?Rau團(tuán)隊(duì)避免了相互矛盾的質(zhì)量值
自然界中最簡(jiǎn)單的分子是氫離子H2+和HD+（一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)氘核，由一個(gè)電子束縛）。研究這些離子的科學(xué)家們?cè)噲D驗(yàn)證量子電動(dòng)力學(xué)（在解釋粒子和原子行為方面非常成功的理論）對(duì)分子也有效。然而，由于觀測(cè)到的質(zhì)量差異，該理論預(yù)測(cè)氫分子轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)頻率的精度受到嚴(yán)重阻礙。同樣，相互矛盾的質(zhì)量值可能會(huì)影響通過研究氚的核衰變來確定中微子（氫的放射性同位素）質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
為了糾正這種情況，Rau團(tuán)隊(duì)還使用他們的彭寧離子阱測(cè)量了HD+離子的質(zhì)量。從這個(gè)測(cè)量中，作者提取了mp?+?md之和的值，發(fā)現(xiàn)它與分別從單個(gè)質(zhì)子和氘中得到的mp和md值非常吻合。此外，所有的結(jié)果都與最近精確測(cè)量的氘-質(zhì)子質(zhì)量比，md/mp，以及HD+的旋轉(zhuǎn)光譜和振動(dòng)光譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。這些成功的一致性檢查表明，作者的mp精確值和md的當(dāng)前值（這兩個(gè)值起初可能看起來不一致）畢竟是可靠的。（質(zhì)子質(zhì)量，mp；太陽(yáng)子質(zhì)量，mh；氘核質(zhì)量，md）
以12C6+為基準(zhǔn)，氘核的質(zhì)量由下式得出：
?與計(jì)量學(xué)的相互驗(yàn)證
無獨(dú)有偶，在Rau團(tuán)隊(duì)發(fā)布這篇論文后的第二天，2020年9月4日，Patra團(tuán)隊(duì)在《Science》中發(fā)表的報(bào)告Proton-electron mass?ratio from laser spectroscopy of HD+?at the part-per-trillion level中指出：HD+的激光光譜能夠得出質(zhì)子與電子的質(zhì)量比。同期Masaki Hori在《Science》發(fā)表題目為“High-precision molecular measurement”的展望。
研究人員將HD+分子置于彭寧離子阱中，并用鈹離子將其包圍。鈹離子有助于冷卻HD+分子，使HD+光譜線變窄，從而可以通過與理論預(yù)測(cè)進(jìn)行比較來提取質(zhì)子和電子的質(zhì)量比。
彭寧離子阱中最近對(duì)輕原子核的質(zhì)量測(cè)量表明，在緊密相關(guān)的物理常數(shù)（如質(zhì)子、電子和氘化質(zhì)子質(zhì)量比）中可能存在不一致的地方。這些量還會(huì)影響HD+在其電子基態(tài)下的預(yù)測(cè)振動(dòng)光譜。Patra團(tuán)隊(duì)使用無多普勒雙光子激光光譜儀來測(cè)量v （振動(dòng)量子數(shù)）= 0→9泛音躍遷，不確定度為2.9萬(wàn)億分之一。
通過利用高精度的從頭計(jì)算，將測(cè)量值轉(zhuǎn)換為對(duì)質(zhì)子-電子和氘-質(zhì)子質(zhì)量比的嚴(yán)格約束，與最近對(duì)彭寧離子阱的這些量的確定一致，使得質(zhì)子-電子質(zhì)量比的值達(dá)到21萬(wàn)億分之一的精度。
?總結(jié)
Rau團(tuán)隊(duì)給出了氘核和HD+分子離子的絕對(duì)質(zhì)量測(cè)量結(jié)果（以12C作為質(zhì)量參考）。氘核質(zhì)量值為2.013553212535（17）個(gè)原子質(zhì)量單位，其精度比科學(xué)和技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(huì)（CODATA）給出的值高出2.4倍，與CODATA值相差4.8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。HD+分子離子質(zhì)量為3.02137824561（61）個(gè)原子質(zhì)量單位，不僅能對(duì)氘核和質(zhì)子質(zhì)量的結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格的一致性檢查，而且還為氚和氦-3的質(zhì)量與原子質(zhì)量單位建立了額外的聯(lián)系。
盡管Rau和他的同事們?nèi)〉昧酥卮筮M(jìn)展，但仍有難題存在。測(cè)定質(zhì)量差mp?+?md??mh的多種方法產(chǎn)生了不一致的結(jié)果，這取決于使用的是新的質(zhì)量值還是舊的參考值。作者的工作表明，太陽(yáng)子的質(zhì)量，mh，可能是這種不一致性的根源，它為新的質(zhì)量測(cè)量提供了強(qiáng)有力的動(dòng)力。
Patra團(tuán)隊(duì)的工作建立了HD+的精密光譜學(xué)，并結(jié)合了從頭算起的量子分子計(jì)算，以此作為確定基本質(zhì)量比的最新方法。它進(jìn)一步提供質(zhì)量比和其他物理常數(shù)，并且闡明了最近觀察到的值之間的大的偏差。這對(duì)未來物理常數(shù)參考值的一致性和精度產(chǎn)生顯著影響。
而我們從這些科學(xué)家中的工作中學(xué)到最有價(jià)值的一課是，在精密測(cè)量的藝術(shù)中，沒有任何結(jié)果是完全獨(dú)立的。
論文鏈接：
1.https://www.nature.com/articles/s41586-020-2628-7
2.https://science.sciencemag.org/content/369/6508/1238
