一項期待已久的實驗結果發現，質子比之前公認的值小約 5%。這一發現有助於促使人們重新定義該粒子的官方尺寸，並且似乎標誌著自 2010 年以來一直吸引物理學家的“質子半徑難題”的結束。
該結果發表在 11 月 6 日的《自然》雜誌上，將該粒子的半徑定為 0.831 飛米。這個測量值，以及使用不同技術在 9 月份發表在《科學》雜誌上的一個一致的測量值，自去年以來就為專家所知。華沙大學的理論物理學家、CODATA 工作組主席 Krzysztof Pachucki 說，這些發現促使科學技術資料委員會（CODATA）——一個記錄自然基本常數最新測量值的組織——在 2018 年底修訂了其手冊。儘管一些研究人員仍然持謹慎態度，但他認為最新的論文“肯定解決了這個難題”。
物理學家使用兩種主要技術來測量質子的大小。一種是依賴於電子如何圍繞原子核執行。由於一些電子軌道穿過原子核中的質子，因此質子的大小會影響電子與原子核的結合強度。因此，精確測量各種電子能級之間的差異——一種稱為光譜學的技術——提供了一種估計質子半徑的方法。第二種技術包括用粒子束撞擊原子，並觀察這些粒子如何從原子核散射出去。
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轉向
大約十年前，光譜學和散射實驗似乎都收斂於質子半徑為 0.8768 飛米（百萬分之一毫米的百萬分之一）。
但在 2010 年，光譜學的一個新變化給這種田園般的共識蒙上了一層不確定性。在瑞士維利根的保羅·謝爾研究所（PSI），物理學家透過用μ子取代電子創造了奇異的氫原子，μ子是一種類似於電子但質量大 200 倍的基本粒子。由於μ子在質子內部花費的時間更多，它們的能級受到的影響比電子大得多。這意味著μ子對質子半徑的測量應該比使用普通氫的測量精確數百萬倍。該團隊測得的質子半徑為 0.84184 飛米。
領導了μ子氫測量的 Randolf Pohl 現在在德國美因茨的約翰內斯·古騰堡大學，他曾合作進行過其他μ子實驗，證實了該值。一段時間以來，研究人員認為這種差異揭示了電子和μ子行為方式之間先前未知的差異——這可能會顛覆已建立的電磁現象量子理論。
然而，最近，使用普通氫進行的改進光譜學實驗發現一個收縮的質子，表明μ子畢竟不是那麼特別。物理學革命的前景開始消退。這些努力最終促成了《科學》論文的發表。在花費八年時間完善光譜技術之後，該工作背後的團隊發現半徑為 0.833 飛米——這與μ子實驗的值一致。
但是，在巴黎索邦大學進行的更傳統的光譜學實驗仍然不同意這一結果。而且沒有人能解釋為什麼散射技術指向更大的質子。現在，散射實驗首次也發現了一個較小的質子。
改進精度
最新的實驗稱為 PRad，使用了弗吉尼亞州紐波特紐斯的托馬斯·傑斐遜國家加速器實驗室的加速器。PRad 向氫分子發射電子束，並測量一些電子如何偏轉。之前的散射實驗使用了更高能量的電子束，這對質子半徑的靈敏度有限，然後外推到較低的電子能量來確定半徑。這意味著他們必須做出可能扭曲最終結果的理論假設。但是 PRad 使用的較低能量避免了這個問題。
為了進一步提高精度，PRad 將其氫分子直接注入到攜帶電子束的真空管中，而不是像許多以前的實驗那樣將其儲存在金屬容器中。這意味著沒有電子撞擊金屬並混淆測量結果。此外，該團隊同時測量了光束不僅從氫的質子散射，還從氫的電子散射。比較這兩種散射型別意味著可以消除另一個主要的誤差來源——氫密度的波動，Pohl 將這種技術稱為“非常聰明”。
北卡羅來納州格林斯伯勒 A&T 州立大學的粒子和核物理學家 Ashot Gasparian 是 PRad 的發言人，他認為他仍然可以升級他的實驗以進一步提高其精度。
但是，紐約州石溪大學的物理學家 Jan Bernauer 曾領導過早期的散射測量，發現了一個更大的質子，他並不完全相信 PRad 的結果。“我認為這個難題還沒有完全解決，但我們取得了一些重大進展。”他說，包括在 PSI 開始的一項實驗在內的正在進行中的實驗可能會一勞永逸地解決這個難題。
理論家們一直在瘋狂地提出理論來解釋異常的μ子，因此這個傳奇的結束將使許多物理學家感到憂鬱。“我認為質子半徑差異可能是由於一些新的物理學原因的希望已經破滅了，”Pohl 說。但是，他補充說，旨在將精度再降低一個數量級的實驗可能仍然會發現與既定理論的微小偏差。“所有這些想法並不會因為測量結果一致而消失。”
本文經許可轉載，並於 2019 年 11 月 7 日首次發表。