宇宙中最常見的粒子之一讓物理學家們完全困惑。質子是原子核的基本組成部分，它似乎比想象的要小。儘管對大量實驗進行了三年仔細的分析和重新分析，但沒有人能弄清楚原因。
瑞士巴塞爾大學的物理學家英戈·西克說，今天發表在《科學》雜誌上的一項實驗只會加深這一謎團。“許多人嘗試過，但都沒有成功闡明這種差異。”
質子的問題始於2010年，當時發表在《自然》雜誌上的一篇論文似乎表明，該粒子的尺寸比最初認為的要小4%。研究人員從氫原子開始，氫原子由一個質子和一個電子組成。當他們用來自粒子加速器的μ子（電子的較重表親）轟擊氫原子時，μ子偶爾會取代電子。用雷射探測μ子氫，可以高精度地測量質子的大小。問題是，該測量結果與透過其他兩種方法獲得的測量結果相差4%，或0.03飛米（fm）。這是一個很小的量——1 fm是0.000000000001毫米——但仍然明顯大於其他兩種測量的誤差範圍。
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最新的實驗也使用了μ子氫，但探測了原子中不同的一組能級。瑞士蘇黎世聯邦理工學院的物理學家、兩篇μ子論文的作者之一阿爾多·安託尼尼說，它產生了與《自然》論文相同的結果——質子半徑為0.84 fm。他說，第二次測量“與之前的值完全相容”。
但伊利諾伊州萊蒙特市阿貢國家實驗室的核物理學家約翰·阿靈頓說，它仍然與非μ子技術進行的測量不相容。阿靈頓說，基於μ子的質子半徑測量結果不太可能出現錯誤，但所有其他測量結果也同樣不太可能都是錯誤的。
令人困惑的難題
一種可能性是，安託尼尼的團隊無意中發現了新的物理學。他們是唯一使用μ子探測質子的團隊——其他人使用的都是電子，並且μ子與質子相互作用的方式可能與電子不同。這種效應必須很小，否則也會在其他地方出現，例如位於瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機。
阿靈頓和西克都對此表示懷疑。“我非常相信我們對物理學的理解，”阿靈頓說。西克說，鑑於現有理論的力量，μ子和電子之間存在根本差異的想法“有點難以想象”。
但同樣難以想象的是可能出了什麼問題。實驗人員已經仔細檢查了他們的資料。理論家已經重新計算了他們的方程。用於從測量結果中估算質子大小的模型可能存在問題，但到目前為止，還沒有確定任何問題。“許多已經提出的想法都已被更詳細地研究過，”西克說。“沒有人提出明確的結果。”