要了解我们对宇宙的了解有多少——以及有多么少——请考虑质子。我们知道这些微小的带正电粒子存在于每个原子的原子核内，并构成了宇宙中大部分的普通物质。我们知道一个质子与一个电子配对形成氢——元素周期表上的第一个元素，也是恒星发光的燃料。我们知道质子本身是由三个更小的粒子组成的，这些粒子被称为夸克——我们部分是通过建造数十亿美元的巨型机器来以接近光速的速度猛击质子在一起而了解到的。质子是宇宙创造和粒子物理学中的主力——然而，尽管如此，我们仍然难以简单地知道它们有多大。
经过半个世纪的努力，到千禧年之交，物理学家们认为他们正在接近一个答案。研究人员使用两种超精密测量方法，每种方法都探测了质子的电荷，他们将质子的半径确定为约 0.877 飞米（一飞米是一万亿分之一毫米）。但在 2010 年，一种新的、甚至更精确的电荷技术表明，质子的半径仍然小了约 4%，这种看似微小的差异仍然与理论预期大相径庭。
大多数物理学家认为，当 2019 年进行的艰苦的后续工作令人信服地确定了较小的粒子尺寸值是正确的时，这个“质子半径之谜”就解决了。（这种差异是由于实验误差还是尚未知物理学的预兆，仍然有待讨论。）现在，研究人员正在使用一种新的、完全独立的方法来测量质子尺寸——一种涉及中微子而不是电荷的方法——也在发表看法。他们的发现发表在 2 月份的《自然》杂志上。
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这种转变很重要，因为质子，就像量子领域中的所有事物一样，与其说是一个具有明确边界的具体物体，不如说是一团模糊的概率云。没有物理膜来划定质子从哪里开始，哪里结束。相反，这是一个不断变化的夸克漩涡，物理学家可以绘制夸克分布图来估计质子的大小。但是夸克也有其自身的滑溜、概率性质——它们揭示的任何答案都取决于它们被问到的确切问题，并且通过电荷查询它们与用中微子探测它们是不同类型的问题，中微子没有电荷。因此，获得两者的答案——质子的“电荷半径”以及“中微子半径”——是对质子大小的有效交叉检查。
2019 年解决质子半径之谜的电荷半径结果主要来自弗吉尼亚州纽波特纽斯的托马斯·杰斐逊国家加速器设施（杰斐逊实验室）的工作，物理学家在那里向富含质子的氢气发射电子束。通过跟踪每个束中的电子如何从氢分子质子中反弹，物理学家可以逐步勾勒出单个质子的电荷分布——换句话说，就是它的大小。对于电中性的中微子，这个草图变化很大。中微子非常难以捉摸，以至于每秒都有数万亿个中微子穿过你的手而不会与你发生相互作用。这意味着任何确实发生的相互作用都发生在非常非常近的地方，这使得中微子在测量其他小事物时非常有用。
“我总是把这想象成观察事物的方式不同……我们很难用中微子的角度来看待我们的宇宙，因为它们太难测量了，”多伦多约克大学的博士后研究员蔡德金说。蔡领导了费米国家加速器实验室（费米实验室）在伊利诺伊州巴达维亚进行的“主要喷注器中微子实验研究 v-A 相互作用”（MINERvA）合作，这是最新一次使用反中微子束寻找质子结构的尝试——他的许多同事认为这将是徒劳的。（反中微子是中微子的反物质对应物。MINERvA 同时使用两者，但测量与质子的相互作用结果用反中微子更容易。）
质子的三个夸克分为两种类型或味：两个“上”夸克和一个“下”夸克。当费米实验室微小而强大的反中微子撞击质子时，它们将其中一个上夸克变成了下夸克，从而将质子转换成中子（中子的夸克构型与质子相反）。根据这个新中子的位置，物理学家然后反向推算出形状不断变化的上夸克在其转变时刻的位置，这为它在质子内的分布提供了线索。
蔡德金说：“这个测量结果让我兴奋的是，我们能够使用中微子来完成以前只能用电子完成的事情。”
该团队测量的质子半径为 0.73 飞米，甚至比 0.84 飞米的电荷半径还要小。无论哪种情况，它都比氢原子小近 10,000 倍。
需要明确的是，这种明显的 13% 的收缩并非是对电荷半径测量的打击，也没有看起来那么令人震惊。这两种测量方法是互补的，共同提供了一个关于小质子的全貌。因为它们测量的是不同的物质分布，所以这种差异并没有像之前 4% 的收缩那样挑战我们对质子的理解。相反，它增加了我们对质子的理解。
MINERvA 实验的共同发言人黛博拉·哈里斯说：“使这项测量真正有趣的不是它是否与电子测量的电磁质子半径一致，而是它根本不必一致。” 这是因为中微子与上夸克和下夸克相互作用的方式与夸克与电子相互作用的方式非常不同。中微子不是通过电磁相互作用相互作用，而是通过一种称为弱力的不同力相互作用。（但不要被它的名字所迷惑——弱力在亚原子距离上非常强大！）
事实上，质子的“弱电荷”半径（可以这么说）和它的电荷半径在它们的不确定性范围内确实彼此一致，并且半径相似并不特别令人惊讶。电子散射实验测量的是电子接触夸克电荷的位置，而中微子实验测量的是反中微子改变夸克味的位置。这两个区域应该彼此靠近，因为它们都取决于夸克形状变化云的位置。但是，也许比更新对质子结构的理解更重要的是，这项新研究对未来如何使用中微子具有重要意义。
北卡罗来纳州农工州立大学的物理学家阿肖特·加斯帕里安说：“这项新测量同样重要——甚至可能更重要——比我们的测量更重要，因为它解决了一种新型的相互作用。” 他是杰斐逊实验室电荷半径研究的作者之一。他说，这些相互作用对于理解质子半径以外的其他物理学重大问题也很重要，例如中微子如何获得其无限小的质量之谜。