質子比想像的還小——物理定律可能因此改寫
2020-11-23 科教臺Kate Ravilious為國家地理新聞供稿翻譯：國家地理翻譯小組smilecam
審校：cathelindan
本圖的中心是個原子，裡面的紅色和藍色小球分別代表質子和中子
——圖片由Dorling Kindersley, Getty Images提供
組成原子的質子可能比我們想像的還小-這個意外的發現有可能改變一些已經取得最廣泛認同的物理定律。
所有的原子都是由原子核和核外電子組成的。 原子核是由中子和質子構成的，而它們自身又是由夸克粒子組成的。
幾年來質子的半徑一直被認為是0.8768飛米（1飛米=10-15米）。
質子的大小是構成電子動力學公式的一個關鍵值。電子動力學是一個具有60年歷史的理論，是粒子物理學標準模型的裡程碑。 標準模型描述了除重力以外的各種力是怎樣影響亞原子粒子的。
但目前質子半徑值的精確度僅為正負百分之一，達不到使量子電動力學（QED）理論正確應用的要求。 因此，物理學家一直在尋找新的方法以求使這個數值更加精確。
雷射發現更小半徑質子
在一個歷時10年的實驗中，由德國加爾興馬普量子光學研究所Randolf Pohl 領導的實驗小組，用一種特殊的粒子加速器來改變只有一個質子和電子組成的氫原子的速度。
他們用質量比電子大200倍的介子替換每個氫原子的電子。
「因為介子質量比電子大得多，所以它的旋轉軌道離質子非常近，從而對質子大小非常敏感」瑞典保羅薛瑞研究所的一名成員Aldo Antognini說。
介子不穩定，只要2.2微妙的時間就會發生衰變而沒入其他的粒子。 在介子衰變前用雷射照射原子會激發介子，從而使它進入高能級-離質子更遠的軌道。 然後介子會以X射線的形式釋放多餘的能量並躍遷到低能級
能級之間的距離是由質子的大小決定的，進而決定了X射線的頻率。
但是，實驗所得X射線的頻率卻與根據公認的質子半徑計算的理論值不相符。
2009年夏天，這個小組決定把研究範圍擴大至其它可能的質子半徑。 令他們驚訝的是，當把質子半徑設定為0.8418飛米（比期望值小4%）時，科學家也檢測到了X射線
"我們感到非常驚訝，直到現在也沒有得出合理的解釋" Antognini 說。
更小質子是個「重大新發現」
這個有關質子的發現，不會影響大多數人的日常生活。 但如果這個被驗證是正確的，粒子物理學的一些基本理論就會被顛覆。
小質子可能意味著裡德伯常數測量錯誤。 這個常數是光譜學的一個關鍵組分，用來描述光是由那種元素髮射的。例如可用它來判斷星系和星雲（星際間的氣塵雲）存在的元素。
或者，如果裡德伯常數測量正確的話，質子半徑變小說明QED公式不正確。
"這是一個重大的新發現，可能意味著對QED徹底的重新思考並開啟通往另一個新理論的大門" Jeff Flowers說。他是英國 國家物理實驗室 的一名科學家，沒有參加這個實驗。
在接下來的幾個星期，全世界的物理學家將仔細檢查整個實驗設定和那些複雜的計算，以確保沒有任何錯誤。
如果沒有發現錯誤的，科學家必須重新建立標準模型。
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