利用半個世紀以來第一個通過電子散射測量質子大小的新方法，在能源部的託馬斯·傑斐遜國家加速器設施進行的實驗中產生了質子半徑的新值。
這一結果最近發表在《自然》雜誌上，是電子散射實驗中最精確的測量結果之一。得到的質子半徑新值為0.831飛米，與最近的介子原子光譜結果一致。
實驗發言人阿肖特·加斯帕裡安說：「我們很高興多年的艱苦合作終於有了一個好的結果，這對所謂的質子半徑之謎的解決起到了關鍵作用。」
宇宙中所有可見的物質都是建立在一個由三個夸克組成的雲上，它們以強大的能量結合在一起。無處不在的質子位於每個原子的中心，它是無數研究和實驗的主題。然而，根據均方根電荷半徑來測量這片雲的大小的實驗卻產生了一個意想不到的結果，這讓原子物理學家和核物理學家們忙得團團轉，必須得重新審視質子這個基本量。
在2010年之前，對質子半徑最精確的測量來自於兩種不同的實驗方法。在電子散射實驗中，電子被射向質子，質子的電荷半徑由電子被質子反彈或散射後的路徑變化決定。在原子光譜測量法中，當電子圍繞一個小原子核旋轉時，可以觀察到電子在能級之間的躍遷。通常觀察到的原子核有氫(有一個質子)或氘(有一個質子和一個中子)。這兩種不同的方法得到的質子半徑約為0.88飛米。
2010年，原子物理學家公布了一種新方法的結果。他們測量了實驗室製造的氫原子周圍軌道上的電子能級之間的躍遷，這些氫原子用介子取代了軌道上的電子，介子的軌道更靠近質子，而且對質子的電荷半徑更敏感。這個結果產生了一個比以前小4%的值，大約是0.84飛米。
2012年，由加斯帕裡安領導的一群科學家在傑佛遜實驗室合作，改進了電子散射方法，希望能製造出一種新的、更精確測量質子電荷半徑的方法。PRad實驗被優先安排，作為獲取數據並完成其運行的第一批實驗之一，該實驗是在美國能源部用於核物理研究的連續電子束加速器設施升級之後進行的。實驗於2016年在傑弗遜實驗室B實驗大廳進行電子散射數據採集。
當我們開始這個實驗時，人們都在尋找答案。但是為了做另一個電子-質子散射實驗，許多懷疑者不相信我們可以做任何新的事情。」加斯帕裡安說，「如果你想出一些新的東西，你必須想出一些新的工具，一些新的方法。我們做了一個完全不同於其他電子散射實驗的實驗。」
合作制定了三項新技術來提高新測量的精度。首先是一種新型無窗靶標系統的實現，該系統由國家科學基金會重大研究儀器撥款資助，主要由傑斐遜實驗室的靶標小組開發、製造和操作。
下一個主要的改進方法是使用量熱計而不是傳統的磁譜儀來檢測由於入射電子撞擊氫的質子或電子而產生的散射電子。重新使用的混合量熱計HyCal測量了散射電子的能量和位置，而新建的氣體電子倍增器GEM探測器也以更高的精度檢測電子的位置。
最後一個主要的改進是把這些探測器安置在離電子束擊中氫靶的角距離非常近的地方。這次合作能夠把距離縮短到不到一度。
科學家說這個結果是獨一無二的，因為它使用了一種通過電子散射來確定質子電荷半徑的新技術。現在，他們期待著將這一結果與新的「質子半徑的光譜測定」以及即將在世界範圍內進行的「電子和μ子散射測量」進行比較。此外，這一結果也為質子半徑難題首次出現時提出的一種新的自然力的猜想提供了新的線索。