奥林巴斯实验表明，在电子与质子相互作用期间交换了两个光子

OLYMPUS实验揭示了质子的结构，揭示了两个光子（而不是一个）在电子-质子相互作用中被交换。

得益于麻省理工学院的研究人员进行的为期七年的实验，关于质子结构的谜团还差一步就解决了。

多年来，研究人员通过用电子轰击质子（带有正电荷的亚原子粒子）并检查不同角度的散射电子的强度来研究质子的结构。

他们试图以此方式确定质子的电荷和磁化强度如何分布。这些实验以前使研究人员认为，电荷和磁场的分布是相同的，并且当质子与轰击电子相互作用时，一个光子（一种基本的光粒子）将被交换。

但是，在2000年代初期，研究人员开始使用极化电子束进行实验，该极化电子束利用质子和电子的自旋来测量电子-质子的弹性散射。这些实验表明，随着电子与质子之间的更高能量相互作用，电荷与磁电荷分布的比率急剧下降。

这导致了一种理论，即在相互作用过程中有时不交换一个光子，而是交换两个光子，从而导致电荷分布不均。更重要的是，该理论预测这两个粒子都是所谓的“硬”或高能光子。

为了确定这种“双光子交换”，由麻省理工学院核科学实验室的研究人员带领的国际团队在汉堡的德国电子同步加速器（DESY）进行了为期7年的实验，称为OLYMPUS。

在本周发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，研究人员揭示了该实验的结果，这表明在电子-质子相互作用期间确实交换了两个光子。

然而，与理论预测不同的是，根据物理学教授，物理学家理查德·米尔纳（Richard Milner）的说法，对OLYMPUS测量值的分析表明，在大多数情况下，只有一个光子具有高能量，而另一个光子实际上携带的能量却很少。负责实验的核科学实验室强子物理小组的成员。

米尔纳说：“我们几乎看不到有证据表明很难进行两光子交换。”

在2000年代后期提出了该实验的想法后，该小组于2010年获得了资助。

研究人员不得不拆解了以前的BLAST光谱仪（一种基于麻省理工学院的复杂的125立方米大小的探测器），然后将其运送到德国，在那里进行了一些改进，进行了重新组装。然后，他们在2012年进行了三个月的实验，然后实验室的粒子加速器本身退役并于当年年底关闭。

该校长道格拉斯·哈塞尔（Douglas Hasell）表示，该实验是在美国和俄罗斯与其他两个国家同时进行的，该实验涉及用带负电的电子和带正电的正电子轰击质子，并比较两种相互作用之间的差异。麻省理工学院核科学实验室和强子物理组的研究科学家，以及该论文的另一位作者。

哈塞尔说，根据质子是被电子散射还是由正电子散射，该过程将产生不同的测量结果。“如果（在测量中）看到差异，则表明存在着两个光子效应，这是非常重要的。”

哈塞尔说，碰撞进行了三个月，结果数据又花了三​​年时间进行分析。

Hasell说，理论和实验结果之间的差异意味着将来可能需要在更高的能量下进行进一步的实验，在更高的能量下，双光子交换效应预计会更大。

但是，可能难以达到OLYMPUS实验所达到的相同精度。

他说：“我们进行了三个月的实验，得出了非常精确的测量结果。”“除非能够提高（实验）的性能，否则您将需要花费很多年才能获得相同水平的精度。”

奥林巴斯研究中心的结果表明，两光子交换校正显示出解释最近的弹性散射测量值与较早的数据之间的差异所必需的行为，据阿贡国家实验室物理研究高级科学家约翰·阿灵顿（John Arrington）说，他没有参与。在实验中。

“有趣的是，结果通常与之前的两次测量结果一致，但似乎比人们开始用来解释差异的最新计算结果要低一些，”阿灵顿说。

他说：“因此，这些新数据支持以下观点：在我们对最近的高精度测量的理解中，两光子交换是'缺少的成分'，但同时也暗示了在我们对效应的计算中可能还需要做更多的工作。” 。

Hasell说，在不久的将来，研究人员计划在决定下一步之前，先了解理论物理学界如何对这些数据做出反应。

他说：“也许他们可以在理论模型中对细节进行小幅调整，以使所有这些都达成一致，并以较高和较低的能量解释数据。”

“那将由实验者来检查是否确实如此。”

出版物：B.S.亨德森（Henderson）等人，“由OLYMPUS实验确定的硬双光子对弹性轻子-质子散射的贡献”，物理。莱特牧师118，092501，2017; doi：10.1103 / PhysRevLett.118.092501