要了解我們對宇宙的瞭解有多少——以及有多麼少——請考慮質子。我們知道這些微小的帶正電粒子存在於每個原子的原子核內，並構成了宇宙中大部分的普通物質。我們知道一個質子與一個電子配對形成氫——元素週期表上的第一個元素，也是恆星發光的燃料。我們知道質子本身是由三個更小的粒子組成的，這些粒子被稱為夸克——我們部分是透過建造數十億美元的巨型機器來以接近光速的速度猛擊質子在一起而瞭解到的。質子是宇宙創造和粒子物理學中的主力——然而，儘管如此，我們仍然難以簡單地知道它們有多大。
經過半個世紀的努力，到千禧年之交，物理學家們認為他們正在接近一個答案。研究人員使用兩種超精密測量方法，每種方法都探測了質子的電荷，他們將質子的半徑確定為約 0.877 飛米（一飛米是一萬億分之一毫米）。但在 2010 年，一種新的、甚至更精確的電荷技術表明，質子的半徑仍然小了約 4%，這種看似微小的差異仍然與理論預期大相徑庭。
大多數物理學家認為，當 2019 年進行的艱苦的後續工作令人信服地確定了較小的粒子尺寸值是正確的時，這個“質子半徑之謎”就解決了。（這種差異是由於實驗誤差還是尚未知物理學的預兆，仍然有待討論。）現在，研究人員正在使用一種新的、完全獨立的方法來測量質子尺寸——一種涉及中微子而不是電荷的方法——也在發表看法。他們的發現發表在 2 月份的《自然》雜誌上。
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這種轉變很重要，因為質子，就像量子領域中的所有事物一樣，與其說是一個具有明確邊界的具體物體，不如說是一團模糊的機率雲。沒有物理膜來劃定質子從哪裡開始，哪裡結束。相反，這是一個不斷變化的夸克漩渦，物理學家可以繪製夸克分佈圖來估計質子的大小。但是夸克也有其自身的滑溜、機率性質——它們揭示的任何答案都取決於它們被問到的確切問題，並且透過電荷查詢它們與用中微子探測它們是不同型別的問題，中微子沒有電荷。因此，獲得兩者的答案——質子的“電荷半徑”以及“中微子半徑”——是對質子大小的有效交叉檢查。
2019 年解決質子半徑之謎的電荷半徑結果主要來自弗吉尼亞州紐波特紐斯的托馬斯·傑斐遜國家加速器設施（傑斐遜實驗室）的工作，物理學家在那裡向富含質子的氫氣發射電子束。透過跟蹤每個束中的電子如何從氫分子質子中反彈，物理學家可以逐步勾勒出單個質子的電荷分佈——換句話說，就是它的大小。對於電中性的中微子，這個草圖變化很大。中微子非常難以捉摸，以至於每秒都有數萬億個中微子穿過你的手而不會與你發生相互作用。這意味著任何確實發生的相互作用都發生在非常非常近的地方，這使得中微子在測量其他小事物時非常有用。
“我總是把這想象成觀察事物的方式不同……我們很難用中微子的角度來看待我們的宇宙，因為它們太難測量了，”多倫多約克大學的博士後研究員蔡德金說。蔡領導了費米國家加速器實驗室（費米實驗室）在伊利諾伊州巴達維亞進行的“主要噴注器中微子實驗研究 v-A 相互作用”（MINERvA）合作，這是最新一次使用反中微子束尋找質子結構的嘗試——他的許多同事認為這將是徒勞的。（反中微子是中微子的反物質對應物。MINERvA 同時使用兩者，但測量與質子的相互作用結果用反中微子更容易。）
質子的三個夸克分為兩種型別或味：兩個“上”夸克和一個“下”夸克。當費米實驗室微小而強大的反中微子撞擊質子時，它們將其中一個上夸克變成了下夸克，從而將質子轉換成中子（中子的夸克構型與質子相反）。根據這個新中子的位置，物理學家然後反向推算出形狀不斷變化的上夸克在其轉變時刻的位置，這為它在質子內的分佈提供了線索。
蔡德金說：“這個測量結果讓我興奮的是，我們能夠使用中微子來完成以前只能用電子完成的事情。”
該團隊測量的質子半徑為 0.73 飛米，甚至比 0.84 飛米的電荷半徑還要小。無論哪種情況，它都比氫原子小近 10,000 倍。
需要明確的是，這種明顯的 13% 的收縮並非是對電荷半徑測量的打擊，也沒有看起來那麼令人震驚。這兩種測量方法是互補的，共同提供了一個關於小質子的全貌。因為它們測量的是不同的物質分佈，所以這種差異並沒有像之前 4% 的收縮那樣挑戰我們對質子的理解。相反，它增加了我們對質子的理解。
MINERvA 實驗的共同發言人黛博拉·哈里斯說：“使這項測量真正有趣的不是它是否與電子測量的電磁質子半徑一致，而是它根本不必一致。” 這是因為中微子與上夸克和下夸克相互作用的方式與夸克與電子相互作用的方式非常不同。中微子不是透過電磁相互作用相互作用，而是透過一種稱為弱力的不同力相互作用。（但不要被它的名字所迷惑——弱力在亞原子距離上非常強大！）
事實上，質子的“弱電荷”半徑（可以這麼說）和它的電荷半徑在它們的不確定性範圍內確實彼此一致，並且半徑相似並不特別令人驚訝。電子散射實驗測量的是電子接觸夸克電荷的位置，而中微子實驗測量的是反中微子改變夸克味的位置。這兩個區域應該彼此靠近，因為它們都取決於夸克形狀變化雲的位置。但是，也許比更新對質子結構的理解更重要的是，這項新研究對未來如何使用中微子具有重要意義。
北卡羅來納州農工州立大學的物理學家阿肖特·加斯帕裡安說：“這項新測量同樣重要——甚至可能更重要——比我們的測量更重要，因為它解決了一種新型的相互作用。” 他是傑斐遜實驗室電荷半徑研究的作者之一。他說，這些相互作用對於理解質子半徑以外的其他物理學重大問題也很重要，例如中微子如何獲得其無限小的質量之謎。