如果您認為我們瞭解質子，那是可以原諒的。 畢竟，它是可觀測宇宙中物質的主要組成部分，是恆星熔爐的燃料。 對質子的研究——其正電荷與帶負電的電子適當地結合形成氫原子——引發了一個世紀前的量子力學革命。 今天，研究人員引發了超高能質子碰撞的洪流，以變出希格斯玻色子等奇異粒子。
然而，最近對質子的研究讓我們感到驚訝。 我們兩人（伯納和波爾）與我們的同事一起，使用兩項互補的實驗，對質子的半徑進行了迄今為止最精確的測量。 當我們開始這項工作時，我們懷疑我們的結果將有助於提高質子已知尺寸的精度。 我們錯了。 我們對質子半徑的測量結果差異巨大。 這種差異是任何一項測量不確定度的五倍以上，這意味著這完全是偶然的可能性小於百萬分之一。
顯然，有些地方不對勁。 要麼我們不完全瞭解質子，要麼我們不瞭解精確測量質子的物理學。 我們已經伸向宇宙，拉回了一個異常現象。 因此，我們有一個很好的機會來學習新東西。
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。 透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
缺失的位移
我們的故事始於義大利的聖塞爾沃洛島，乘坐快艇10分鐘即可從威尼斯的聖馬可廣場到達。 該島在 20 世紀 70 年代末之前曾是一家精神病院。 在關閉三十年後，幾十位物理學家開始在島上會面，討論對物理學（如果不是整個科學界）中最被充分理解的理論——量子電動力學（QED）——進行越來越嚴格的檢驗。
量子電動力學的歷史可以追溯到 1928 年，當時 P.A.M. 狄拉克將量子力學和狹義相對論結合成現在稱為狄拉克方程的理論。 它是我們關於電和磁的最佳理論，因為它完全描述了光如何與物質相互作用。 僅舉一個例子，量子電動力學僅使用物理定律和基本常數（如電子質量）的值來解釋原子的結構。 因此，物理學家使用氫等簡單原子來檢驗量子電動力學。 他們可以預測實驗結果，不確定度為 0.0000000001%。 實驗與這種精度相符。
我們兩人第一次在聖塞爾沃洛相遇。 我們都開始對質子進行測量，這將有助於完善我們對量子電動力學的認識。 伯納的實驗旨在利用一種改進的技術版本來研究質子的內部結構，該技術已經產生了迄今為止最準確的測量結果。
波爾的研究小組正在使用一種新方法。 該小組正在研究一種奇異的、不含電子的氫形式的能級中的細微位移——這些位移主要取決於質子的大小。 這些位移最早在 1947 年由已故的威利斯·E·蘭姆 (Willis E. Lamb, Jr.) 在普通氫中檢測到。 儘管物理學家用單數名稱“蘭姆位移”來指代這種現象，但他們已經開始理解，其中存在兩個不同的原因。
蘭姆位移的第一個貢獻者來自所謂的虛粒子，這些幽靈粒子在原子內部彈出，然後迅速消失。 科學家可以使用量子電動力學來計算這些虛粒子如何以驚人的精度影響原子能級。 然而，近年來，蘭姆位移的第二個貢獻者的不確定性開始限制科學家的預測能力。 第二個原因與質子半徑和電子奇異的量子力學性質有關。
在量子力學中，電子以雲狀波函式的形式存在，該波函式分佈在原子的大小範圍內。 波函式（更準確地說，是它的平方）描述了在給定位置找到電子的機率，並且只能採取某些離散形式，我們稱之為原子態。
一些原子態（由於歷史原因標記為“S 態”）具有在原子核處最大的波函式。 也就是說，在質子內部找到電子的可能性不為零——這種可能性隨著質子半徑的增大而增大。 當電子在質子內部時，電子不會“感覺”到質子的電荷那麼強烈，這降低了質子和電子之間的整體束縛強度。
這種束縛強度的降低將最低能量態（1S 態）的蘭姆位移改變了 0.02%。 這個分數似乎微不足道。 但是，1S 基態和第一激發態（2S 態）之間的能量差已經測量到令人難以置信的精度，達到十分之幾
15。 因此，如果要將量子電動力學理論與精密實驗進行對比，則必須包括質子半徑的微小影響。
波爾的研究小組已經嘗試了八年時間來確定質子的大小。 然而，在第一次聖塞爾沃洛會議時，他們的實驗似乎並沒有奏效——這讓每個人都感到困惑。
與此同時，伯納的研究小組即將開始對質子的半徑進行補充研究。 他的方法不依賴於氫的能級。 相反，它將使用電子對氫靶的散射來推斷質子到底有多大。
靶場練習
氫氣主要是質子群。 如果你向它發射一束電子，一些帶負電的電子會被帶正電的質子偏轉，並從光束的初始方向“散射”開。 此外，這種散射在很大程度上取決於質子的內部結構。 （與電子不同，質子是由更基本的成分組成的。）
讓我們更仔細地看看當質子和電子相互散射時它們是如何相互作用的。 當電子散射時，它會將其部分動量傳遞給質子。 在量子電動力學中，物理學家將這種相互作用描述為電子和質子之間交換虛光子。 如果電子散射量很小——擦邊球——它只傳遞其動量的一小部分。 如果它散射接近 180 度，我們想象電子已經擊中質子的中心，傳遞了大量的動量。 在量子電動力學中，較高的動量意味著虛光子的波長較短。
類似於光學顯微鏡，如果我們想看到最小的結構，我們就使用盡可能短的波長。 伯納的部分工作是使用小波長來研究質子內部的電荷分佈。
然而，當伯納前往聖塞爾沃洛會議時，那裡的科學家要求他擴充套件他的實驗。 短波長適合觀察質子內部的結構，但是如果你想將質子作為一個整體來檢查，你必須使用長波長。 事實上，如果你想測量質子的完整範圍（從而測量其半徑），你需要使用無限波長，這使得光子能夠“看到”完整的質子。 這是根本不發生散射的極限。
當然，從技術上講，這是不可能的——電子需要至少偏轉少量才能進行測量。 因此，伯納的研究小組測量了他的裝置允許的最低動量傳遞，然後外推到零。
與舊實驗相比，他的努力幾乎將先前測量的最小動量傳遞與零之間的差距縮小了一半，使得外推法更加可靠。 最終，該實驗的測量次數大約是之前所有測量次數的兩倍。 在 2006 年和 2007 年完成實驗後，伯納花了三年時間來分析所有資料——這項工作為他贏得了博士學位。 他發現，質子的半徑約為 0.879 飛米——大約是霧滴尺寸的百億分之一，並且與之前的測量結果完全一致。
奇異氫
與此同時，波爾和他的團隊成員繼續努力。 他們的實驗用電子的“胖表親”——μ子取代了氫原子中的電子。 μ子幾乎與電子相同，只是它們的質量大約是電子的 200 倍。 這種差異導致μ子氫中的μ子比電子更接近質子約 200 倍。
如果μ子比質子近 200 倍，那麼它也應該在質子內部花費更多的時間。 （事實上，機率增加了 2003 倍，即八百萬倍。） 這反過來又將原子的蘭姆位移改變了 2%——這是一個相對巨大的量，應該很容易被發現。
波爾的實驗從瑞士保羅謝勒研究所 (PSI) 的加速器向裝有氫氣的容器中發射μ子。 有時，μ子會取代電子，分解氫分子，並在高激發態下形成μ子氫原子。 在幾納秒內，μ子氫會跌落到越來越低的能態。 該實驗僅使用了最終處於第一激發態（2S 態）的氫原子。
當每個μ子進入氫氣容器時，它會觸發雷射系統的啟動訊號，雷射系統大約在一微秒後發出雷射脈衝。 如果雷射具有精確的能量，如其波長所測量的那樣，雷射會將 2S 態向上推升到更高的 2P 態。 2P 態的形狀使得永遠不會在質子內部找到μ子，因此透過測量 2S 態和 2P 態之間的能量差，我們可以推斷μ子在質子內部花費了多少時間——從而推斷出質子半徑。
這是關鍵的警告：我們必須調整雷射器，使其以精確的能量進入。 只有當雷射的能量完全等於 2S 態和 2P 態之間的能量差時，原子才會躍遷到更高的狀態。 如果波長稍微偏離，則什麼也不會發生。 我們如何知道原子是否發生了躍遷？ 任何躍遷到 2P 態的原子都會迅速釋放一個低能量的 X 射線光子。 如果我們找到了這些光子，我們就知道我們有正確的能量。
理論上聽起來很簡單，但這些實驗的執行難度眾所周知。 類似的實驗最早在 20 世紀 60 年代提出，當時量子電動力學還相當新，作為對該理論的精確檢驗。 但該實驗比氫和其他電子原子上的互補實驗更困難，因此人們的興趣逐漸減退，直到 20 世紀 90 年代，其他實驗受到質子半徑不確定性的限制。
波爾的研究小組於 1997 年向 PSI 的管理人員提出了μ子氫蘭姆位移測量。 該研究所於 1999 年初批准了該專案，我們花了三年時間建造雷射系統、低能μ子束和低能 X 射線探測器。
在 2002 年我們在 PSI 組裝好實驗裝置後，我們不得不處理幾個技術問題。 當我們解決這些問題時，我們只有幾個小時的時間真正向μ子氫原子發射雷射，之後我們在加速器上的分配時間就到期了。 我們中的一些人非常失望，因為我們真的相信我們會在第一次發射中找到 2S-2P 位移。 然而，資深物理學家對第一次“機器開發”執行的前景更加現實。 他們很高興一切都在正常執行，並且只出現了一些小的技術問題。 這些問題可以在計劃於 2003 年開始的“真實執行”之前解決，在那裡我們肯定會看到蘭姆位移訊號。
然後，經過幾個月的準備，為期三週的成功資料採集顯示……什麼也沒有。 沒有任何訊號的跡象。 即使雷射已經掃描了與已知的質子半徑實驗值相對應的整個波長區域。 什麼也沒有。
我們認為顯而易見：我們的設定中一定存在錯誤。 當時的結論是，我們需要改進雷射系統。 我們開始進行重大重新設計，該設計於 2006 年底完成。 我們在 2007 年又採集了三週的資料，但再次一無所獲。 幸運的是，我們在 2009 年上半年獲得了最後一次機會。 花了幾個月的時間才使複雜的裝置執行起來。 又一次，經過一週的優秀資料收集，我們沒有發現任何訊號跡象。
我們計劃再進行一週的觀測。 如果這些觀測失敗，我們擔心一些管理人員會得出結論，認為我們無法勝任這項任務。 這項為期十年的實驗將作為失敗而被永久關閉。
我們最終開始懷疑是否發生了更深刻的事情。 如果我們搜尋質子半徑的位置不對怎麼辦？ 我們決定擴大搜索區域。 該小組集體決定尋找更大的質子半徑。 然而，一天晚上深夜，波爾的同事阿爾多·安託尼尼 (Aldo Antognini) 進入控制室說，他對尋找更小的質子有很好的感覺。 由於時間緊迫，波爾和安託尼尼將搜尋方向改為尋找比任何人都有權假設的更小的質子半徑。 很快，我們發現了一個訊號的暗示。 但第二天，加速器因計劃中的四天維護而關閉。 我們將不得不等待。
然後，在 2009 年 7 月 4 日的晚上，在努力了 12 年之後，一個明確的訊號出現了，告訴我們，在μ子氫中測量的質子比迄今為止所有人認為的都要小得多。 該小組又花了幾個星期進行額外的測量和校準，並花了幾個月進行資料分析。 最終結果，我們後來透過額外的測量證實了這一點，是質子電荷半徑為 0.8409 飛米，正負 0.0004。 這個數字比之前的任何測量都精確 10 倍，但與它們相差 4%——這是一個巨大的差異！
2010 年，我們兩個研究小組在法國阿爾卑斯山萊蘇什舉行的同一次簡單原子精密物理學會議上分享了他們的結果。 波爾首次向科學界介紹了μ子氫測量的結果。 同日下午，伯納實驗的資料交付了。 波爾和他的同事們預計伯納的分析會支援新的、更小的結果。 然而令他們驚訝的是，結果與舊半徑幾乎相同：0.877 飛米。
這種差異在科學界引起了極大的興奮。 差異是有用的，因為它們激發了新的思考，從而產生了新的想法和對自然更好的理解。
新思路
起初，大多數人認為一定存在簡單的錯誤。 也許實驗中存在問題，或者提取半徑的理論計算可能出錯。 會議結束後不久，獨立的 investigadores 想出了一系列可能的直接錯誤。
例如，在波爾的實驗之前，只有三個人完成了將雷射波長的實驗測量值轉換為質子半徑所需的複雜計算。 許多人猜測這些計算中存在錯誤或遺漏。 因此，大量的理論家重複並擴充套件了計算，但沒有發現錯誤。
其他人重新考慮了伯納如何從他的散射資料中外推半徑。 是否有可能將原始資料與來自μ子氫的較小半徑協調一致？ 似乎這種修正也被排除了。
隨著每個失敗的建議，差異的影響變得更加嚴重。 在質子半徑之謎出現四年後，物理學家已經用盡了直接的解釋，例如測量或計算中的錯誤。 我們現在已經開始夢想更令人興奮的可能性。
例如，我們真的瞭解當μ子拉動質子時質子如何反應嗎？ μ子的靜電力會使質子變形，類似於月球的引力在地球上引起潮汐的方式。 彎曲的質子略微改變了μ子氫中的 2S 態。 大多數人認為我們理解這種效應，但質子是一個如此複雜的系統，我們可能遺漏了一些東西。
最令人興奮的可能性是，這些測量結果可能表明存在超越所謂粒子物理學標準模型的新物理學。 也許宇宙中包含一種迄今為止尚未被探測到的粒子，這種粒子以某種方式使μ子的行為與電子不同。 科學家們一直在探索這種可能性，但發現很難對一種新的粒子進行建模，這種粒子不會產生違反其他實驗結果的可觀察到的後果。
另一方面，物理學家已經有另一個μ子之謎需要解決。 基本粒子，如μ子和電子，具有“磁矩”——一種非常像條形磁鐵的磁場。 具有啟發意義的是，μ子的磁矩與量子電動力學計算不符。 也許新的物理現象將解釋質子半徑測量和μ子的異常磁矩。
為了結束這些猜測，已經提出了幾項新的實驗。 至少有兩項散射實驗——一項在弗吉尼亞州紐波特紐斯的托馬斯傑斐遜國家加速器設施進行，另一項在德國美因茨約翰內斯古騰堡大學的美因茨微型電子加速器上進行，伯納在那裡進行了他的原始實驗——旨在提高早期散射實驗的準確性。 這些測量將提供獨立的驗證，並檢驗一些提出的解釋。
波爾的研究小組和美因茨研究小組都在尋求測量氘的半徑——氘核由一個質子和一箇中子組成——看看差異是否也出現在這裡。 波爾還將以更高的精度重新測量標準電子氫。
此外，許多物理學家注意到，研究人員已經使用μ子和電子進行了原子測量，但僅使用電子進行了散射實驗。 缺少的是μ子和散射的結合。 伯納參與了一個旨在填補這一空白的專案。 μ子-質子散射實驗 (MUSE) 將使用 PSI 的μ子束之一（波爾的研究小組在那裡進行了他們的實驗），將電子和μ子都散射到質子上，以進行直接比較。 該實驗將能夠檢查一些最可行的擬議解釋。 時間會證明，半徑之謎是作為一個奇怪的錯誤解決，還是作為更深入理解宇宙的門戶解決。 它很可能就是我們必須拉動的線索，以解開自然之書的下一章。 我們將會拉動。