一项期待已久的实验结果发现，质子比之前公认的值小约 5%。这一发现有助于促使人们重新定义该粒子的官方尺寸，并且似乎标志着自 2010 年以来一直吸引物理学家的“质子半径难题”的结束。
该结果发表在 11 月 6 日的《自然》杂志上，将该粒子的半径定为 0.831 飞米。这个测量值，以及使用不同技术在 9 月份发表在《科学》杂志上的一个一致的测量值，自去年以来就为专家所知。华沙大学的理论物理学家、CODATA 工作组主席 Krzysztof Pachucki 说，这些发现促使科学技术数据委员会（CODATA）——一个记录自然基本常数最新测量值的组织——在 2018 年底修订了其手册。尽管一些研究人员仍然持谨慎态度，但他认为最新的论文“肯定解决了这个难题”。
物理学家使用两种主要技术来测量质子的大小。一种是依赖于电子如何围绕原子核运行。由于一些电子轨道穿过原子核中的质子，因此质子的大小会影响电子与原子核的结合强度。因此，精确测量各种电子能级之间的差异——一种称为光谱学的技术——提供了一种估计质子半径的方法。第二种技术包括用粒子束撞击原子，并观察这些粒子如何从原子核散射出去。
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大约十年前，光谱学和散射实验似乎都收敛于质子半径为 0.8768 飞米（百万分之一毫米的百万分之一）。
但在 2010 年，光谱学的一个新变化给这种田园般的共识蒙上了一层不确定性。在瑞士维利根的保罗·谢尔研究所（PSI），物理学家通过用μ子取代电子创造了奇异的氢原子，μ子是一种类似于电子但质量大 200 倍的基本粒子。由于μ子在质子内部花费的时间更多，它们的能级受到的影响比电子大得多。这意味着μ子对质子半径的测量应该比使用普通氢的测量精确数百万倍。该团队测得的质子半径为 0.84184 飞米。
领导了μ子氢测量的 Randolf Pohl 现在在德国美因茨的约翰内斯·古腾堡大学，他曾合作进行过其他μ子实验，证实了该值。一段时间以来，研究人员认为这种差异揭示了电子和μ子行为方式之间先前未知的差异——这可能会颠覆已建立的电磁现象量子理论。
然而，最近，使用普通氢进行的改进光谱学实验发现一个收缩的质子，表明μ子毕竟不是那么特别。物理学革命的前景开始消退。这些努力最终促成了《科学》论文的发表。在花费八年时间完善光谱技术之后，该工作背后的团队发现半径为 0.833 飞米——这与μ子实验的值一致。
但是，在巴黎索邦大学进行的更传统的光谱学实验仍然不同意这一结果。而且没有人能解释为什么散射技术指向更大的质子。现在，散射实验首次也发现了一个较小的质子。
改进精度
最新的实验称为 PRad，使用了弗吉尼亚州纽波特纽斯的托马斯·杰斐逊国家加速器实验室的加速器。PRad 向氢分子发射电子束，并测量一些电子如何偏转。之前的散射实验使用了更高能量的电子束，这对质子半径的灵敏度有限，然后外推到较低的电子能量来确定半径。这意味着他们必须做出可能扭曲最终结果的理论假设。但是 PRad 使用的较低能量避免了这个问题。
为了进一步提高精度，PRad 将其氢分子直接注入到携带电子束的真空管中，而不是像许多以前的实验那样将其保存在金属容器中。这意味着没有电子撞击金属并混淆测量结果。此外，该团队同时测量了光束不仅从氢的质子散射，还从氢的电子散射。比较这两种散射类型意味着可以消除另一个主要的误差来源——氢密度的波动，Pohl 将这种技术称为“非常聪明”。
北卡罗来纳州格林斯伯勒 A&T 州立大学的粒子和核物理学家 Ashot Gasparian 是 PRad 的发言人，他认为他仍然可以升级他的实验以进一步提高其精度。
但是，纽约州石溪大学的物理学家 Jan Bernauer 曾领导过早期的散射测量，发现了一个更大的质子，他并不完全相信 PRad 的结果。“我认为这个难题还没有完全解决，但我们取得了一些重大进展。”他说，包括在 PSI 开始的一项实验在内的正在进行中的实验可能会一劳永逸地解决这个难题。
理论家们一直在疯狂地提出理论来解释异常的μ子，因此这个传奇的结束将使许多物理学家感到忧郁。“我认为质子半径差异可能是由于一些新的物理学原因的希望已经破灭了，”Pohl 说。但是，他补充说，旨在将精度再降低一个数量级的实验可能仍然会发现与既定理论的微小偏差。“所有这些想法并不会因为测量结果一致而消失。”
本文经许可转载，并于 2019 年 11 月 7 日首次发表。