1.

質(zhì)子的半徑是有多大？或許你會想，這很難嗎？畢竟離質(zhì)子發(fā)現(xiàn)已經(jīng)100年過去了（詳見《探索比原子更小的世界》），難道科學(xué)家還無法得出一個結(jié)果？事實上，要精確的測量比想象中難很多，因為與我們在宏觀世界中看到的那些球體不同的是，質(zhì)子并沒有一個清晰的物理邊界。

由于質(zhì)子是非?；镜囊环N粒子，所以科學(xué)家耗費(fèi)了很大的精力來測量它的大小。但質(zhì)子又是如此之小，大約只有1飛米（1飛米=10?1?米），這比氫原子的半徑小6萬多倍。想要通過直接的測量方式來測得質(zhì)子半徑幾乎是不可能的，我們必須借助其他的力量來完成這項任務(wù)。

根據(jù)量子力學(xué)，我們知道一個原子中的電子只能在一定距離上繞著它的原子核公轉(zhuǎn)，這一距離對應(yīng)于不同的能級。如果電子以光子的形式吸收或釋放了能量，它可以在能級之間跳躍。因此，氫原子就變成了一個很好的測量對象，它只有一個電子和一個質(zhì)子。氫原子光譜實驗便是研究質(zhì)子半徑的一種重要方法。

長時間以來，物理學(xué)家給出的質(zhì)子半徑的“官方”數(shù)值為0.877飛米。他們通過兩種測量方法獲得了這一數(shù)值，第一種方法是上述的利用氫光譜來測量質(zhì)子的能級；還有一種方法是利用電子散射實驗，也就是將電子束射向一個質(zhì)子，然后通過電子散射的方式被用來計算質(zhì)子的大小。

2.

但是自2010年以來，這個被普遍認(rèn)可的結(jié)果卻面臨了危機(jī)。當(dāng)時，馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所物理學(xué)家Randolf Pohl為了進(jìn)一步提高質(zhì)子半徑值的測量精度，他們使用了μ子氫來進(jìn)行氫原子光譜實驗，與原子氫不同的是，在μ子氫中，繞著質(zhì)子旋轉(zhuǎn)的是一個帶負(fù)電的μ子。由于μ子的質(zhì)量是電子的200倍，因此與電子比起來，μ子繞質(zhì)子的軌道會更貼近質(zhì)子，因此也就可以更精確地確定質(zhì)子的大小。

通過這種方法，他們測得的質(zhì)子半徑結(jié)果是0.842±0.001飛米，它的精確度比之前結(jié)果提高了10倍，但其數(shù)值卻比之前小了4%，數(shù)值偏差將近6σ。質(zhì)子半徑數(shù)值的這種不一致，被稱為“質(zhì)子半徑之謎”，它引發(fā)了強(qiáng)烈的科學(xué)辯論，困擾著許多理論學(xué)家和實驗學(xué)家。但至今為止，我們?nèi)詻]有一個明確的解決方案。

在2013年的后續(xù)研究中，物理學(xué)家繼續(xù)用μ子氫測量質(zhì)子的半徑，尤其是檢查了從能級2S到2P（即蘭姆位移）的躍遷之后，得到的數(shù)值為0.841飛米，進(jìn)一步確認(rèn)了2010年的結(jié)果。這樣的測量結(jié)果使得物理學(xué)家不得不對已被珍視已久的輕子普遍性原則產(chǎn)生了質(zhì)疑。

在最近的一些測量結(jié)果中，質(zhì)子在進(jìn)一步地“變瘦”。2016年，物理學(xué)家開始用μ子氘的蘭姆位移來測量質(zhì)子的半徑。氘是氫的一種同位素，與氫相比，它的原子核中除了一個質(zhì)子之外還包含一個中子，因此在實驗中，研究人員使用的就是讓一個束縛態(tài)的μ子繞著一個質(zhì)子和中子運(yùn)行。他們得到的質(zhì)子半徑結(jié)果為0.837飛米。

然而有趣的是，2017年，馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所的Axel Beyer和他的合作者通過觀測普通氫從2S到4P的躍遷，得到了相似的結(jié)果，他們測得的質(zhì)子半徑為0.834飛米。據(jù)這一結(jié)果也得到了一些即將被發(fā)表的最新結(jié)果的證實：最近，Beyer對普通氫從1S到3S的躍遷進(jìn)行了測量，加拿大約克大學(xué)的Eric Hessels與他的團(tuán)隊也對2S到2P躍遷進(jìn)行了測量，他們表示，新的結(jié)果都與2017年的數(shù)值相吻合。這意味著，用μ子光譜和電子光譜對質(zhì)子半徑的測量差異已經(jīng)不存在了。

3.

那么光譜實驗和電子散射實驗之間的差異是否解決了呢？基于電子散射數(shù)據(jù)來進(jìn)行質(zhì)子半徑計算是一項非常棘手的工作，這是因為當(dāng)你將一束電子束射向一個質(zhì)子時，質(zhì)子會具有反沖作用。因此，實驗物理學(xué)家可以通過在越來越小的尺度上進(jìn)行散射實驗來降低模型的不確定性?，F(xiàn)在，通過電子散射所測得的質(zhì)子半徑數(shù)值可能與用μ子光譜和電子光譜所得到的最新結(jié)果相一致。

2017年，美因茨大學(xué)的Miha Mihovilovic和同事利用電子回旋加速器Mainz Microtron，測得了一個更低的數(shù)值，0.811飛米；而由杰弗遜實驗室的質(zhì)子半徑實驗（pRad）所得到的結(jié)果也會是一個比較低的數(shù)值，而且pRad的實驗結(jié)果將具有更小的誤差值。2018年10月，在夏威夷舉行的一次學(xué)術(shù)研討會議上，pRad發(fā)表了他們的初步質(zhì)子半徑測量，結(jié)果為0.830飛米。

現(xiàn)在，歐洲核子研究中心（CERN）的COMPASS實驗和PSI的MUSE實驗正在進(jìn)行μ子散射實驗，他們的結(jié)果將會對這些從電子散射實驗得出的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充。如果用各種不同的實驗方法將繼續(xù)得到與2010年測得的結(jié)果一致，那么或許我們很快就能揭開質(zhì)子半徑之謎。

參考鏈接：

[1] https:///solving-the-proton-radius-puzzle/

[2] https:///pdf/1502.05314.pdf

[3] https://science./content/339/6118/417.full

[4] https://www./article/dn23105-shrinking-proton-puzzle-persists-in-new-measurement/

[5] https://science./content/353/6300/669