《Science》:百年難題!質子到底有多大?

採用諾獎技術「光學頻率梳」的1S-3S躍遷測試表明，質子半徑再次指向0.84飛米。

【原子≈質子+電子】

1913年丹麥科學家玻爾首次認識到氫原子光譜是氫原子的電子躍遷產生的，並進一步提出了解釋原子結構的玻爾理論（1922年因原子理論得到證明獲得諾貝爾物理學獎）。隨後，眾多偉大的物理學家，對原子，尤其是最簡單的氫原子（僅僅包含一個質子和一個電子）進行了無休止的探索，包括薛丁格的量子力學（1933年因發展了原子理論獲得諾貝爾物理學獎），狄拉克的相對論形式（1933年因發現了在原子理論裡很有用的新形式獲得諾貝爾物理學獎），以及費曼-施溫格-朝永振一郎的量子電動力學（1965年因在量子電動力學方面的成就，三人獲得諾貝爾物理學獎）。

然而，伴隨著對原子結構研究的深入，一個謎題也已經困擾了物理學家百年之久。作為原子關鍵組分之一的質子，到底有多大？

根據量子力學，每個狀態下氫原子的量子能級結構可以被描述為依賴於量子數n、l和j的能量E：E（n,l,j）=EBohrf（mp,me）+ENS（rp,n,l）+EQED（n,l,j）

其中EBohr表示玻爾結構，ENS描述了原子尺寸效應，EQED代表了量子電動力學修正。而氫原子的整個能級結構可以由兩個未知數得出：一是代表所有原子物理和化學的能量尺度R∞，另一個就是質子半徑rp。

【百年難題，質子半徑之謎】

目前物理學家們使用兩種主要技術來測量質子的大小，一種是利用光譜學技術精確測量各電子能級之間的差別，從而估算質子的半徑rp。這其中又涉及到兩種測量方法：（1）對1S-2S間隔的測量（高達15位精度），由於其2S能級存在達1S且不受海森堡測不準原理的影響，這種測量方法精度更高。許多實驗小組測量了2S能級帶不同能級的躍遷（包括nS, nP, Nd等, 又稱為Rydberg態），並獲得了一系列不同的R∞和rp值。（2）蘭姆位移法（Lamb shift，即2S-2P能級間隔），這種方法由蘭姆和盧瑟福在1948年提出，此後一直在改進。

另一種技術則是電子-質子散射法。也就是將電子束射向一個質子，然後通過電子散射的方式被用來計算質子的大小。但是這種核物理方法需要對零動量散射矢量進行複雜的外推。

【質子半徑的反覆橫跳】

在2010年之前，一切都是美好的，因為上述這些方法測出的質子半徑都是同一個值，即0.877飛米（1飛米=10-15米）。

然而，2010年，馬克斯普朗克量子光學研究所物理學家Randolf Pohl等人卻對這個結果提出了質疑，他們對μ子氫（電子被μ子取代的氫原子）的測量結果顯示，質子的半徑（rp）僅為0.84飛米，比之前的值小4%左右，這種質子半徑數值不一致，被稱為「質子半徑之謎」，引發了強烈的科學辯論，困擾著許多理論學家和實驗學家。但至今為止，仍然沒有一個明確的解決方案。

物理學標準模型假設μ子與電子表現相似的物理特性（輕子普適性），其能級結構可以用上述方程1解釋。然而，μ子質量更大（電子的200倍），與原子核重疊更多，因此測出的質子半徑更加精確（rp=0.84飛米）。

這一結果引起了原子物理學界的震動，激發了研究人員對氫原子精密光譜的大量實驗。同時對輕子普適性原則以及物理學標準模型提出了質疑。有一陣子，研究人員認為這兩種質子半徑數據的差別揭示了電子和μ介子具有尚且未知的行為差異，這可能會推翻已有的解釋電磁現象的量子理論。

然而，隨著光譜學技術的改進，採用普通氫原子進行測量（包括蘭姆位移法，Rydberg態法，以及電子-質子散射法），測出的rp值都是0.84飛米。這一難題似乎已經得到了解決。

直到2018年，在巴黎索邦大學進行的對1S-3S躍遷的連續波雷射實驗，再次得到了0.877飛米的質子半徑值。有關質子半徑的精確值似乎再一次陷入了困境。

【最新成果】

近日，德國馬克斯-普朗克研究所的Alexey Grinin等人，藉助於一項諾貝爾獎技術——光學頻率梳（2005年，R.J.Glauber，John L. Hall, 諾貝爾物理學獎），對相同的1S-3S躍遷進行了更加精確的實驗，最終獲得了0.84飛米的質子半徑值，推翻了之前的結論。相關研究以題為「Two-photon frequency comb spectroscopy of atomic hydrogen」的論文發表在最新一期的《Science》上。

實驗中的Alexey Grinin等人

【最終解決與新的方向】

荷蘭Vrije Universiteit的Wim Ubachs在撰寫評論文章時說，Alexey Grinin等人的結果「最終解決了」質子半徑難題，他補充說，「這為歷史學家和社會學家提供了一個有趣的科學話題。」

美國傑斐遜實驗室質子半徑實驗（PRad）的負責人，Ashot Gasparian也認為，就光譜測量而言，質子半徑難題已接近解決。但是他堅持認為，關於電子-質子散射的情況更加複雜，需要更準確的實驗才能最終解決這一難題。

作者之一的Thomas Udem認為，無論結果如何，存在新的物理學來決定介子與電子之間不同相互作用的可能性很小。這對那些希望打破規則、揭開新物理學的人來說，無疑是晴天霹靂。

Wim Ubachs進一步指出，實際上，氫原子只有一個長壽命的激發態，妨礙了一系列量子水平上的精確實驗。而H2+和HD+離子支持著許多可以被精確測量的振轉激發態。對這些分子的研究也已經確定了質子與電子的質量比。尤其是中性的H2分子，支持超過300個壽命長達一周的振轉激發態，可以用於測試基礎物理的精密實驗，其精確度可能高達20位。

來源：高分子科學前沿

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