宇宙中最常见的粒子之一让物理学家们完全困惑。质子是原子核的基本组成部分，它似乎比想象的要小。尽管对大量实验进行了三年仔细的分析和重新分析，但没有人能弄清楚原因。
瑞士巴塞尔大学的物理学家英戈·西克说，今天发表在《科学》杂志上的一项实验只会加深这一谜团。“许多人尝试过，但都没有成功阐明这种差异。”
质子的问题始于2010年，当时发表在《自然》杂志上的一篇论文似乎表明，该粒子的尺寸比最初认为的要小4%。研究人员从氢原子开始，氢原子由一个质子和一个电子组成。当他们用来自粒子加速器的μ子（电子的较重表亲）轰击氢原子时，μ子偶尔会取代电子。用激光探测μ子氢，可以高精度地测量质子的大小。问题是，该测量结果与通过其他两种方法获得的测量结果相差4%，或0.03飞米（fm）。这是一个很小的量——1 fm是0.000000000001毫米——但仍然明显大于其他两种测量的误差范围。
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最新的实验也使用了μ子氢，但探测了原子中不同的一组能级。瑞士苏黎世联邦理工学院的物理学家、两篇μ子论文的作者之一阿尔多·安托尼尼说，它产生了与《自然》论文相同的结果——质子半径为0.84 fm。他说，第二次测量“与之前的值完全兼容”。
但伊利诺伊州莱蒙特市阿贡国家实验室的核物理学家约翰·阿灵顿说，它仍然与非μ子技术进行的测量不兼容。阿灵顿说，基于μ子的质子半径测量结果不太可能出现错误，但所有其他测量结果也同样不太可能都是错误的。
令人困惑的难题
一种可能性是，安托尼尼的团队无意中发现了新的物理学。他们是唯一使用μ子探测质子的团队——其他人使用的都是电子，并且μ子与质子相互作用的方式可能与电子不同。这种效应必须很小，否则也会在其他地方出现，例如位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机。
阿灵顿和西克都对此表示怀疑。“我非常相信我们对物理学的理解，”阿灵顿说。西克说，鉴于现有理论的力量，μ子和电子之间存在根本差异的想法“有点难以想象”。
但同样难以想象的是可能出了什么问题。实验人员已经仔细检查了他们的数据。理论家已经重新计算了他们的方程。用于从测量结果中估算质子大小的模型可能存在问题，但到目前为止，还没有确定任何问题。“许多已经提出的想法都已被更详细地研究过，”西克说。“没有人提出明确的结果。”