重新測定質子大小,結果讓物理學家失望了

一項令人喜憂參半的新觀測結果，解釋了一個困擾了物理學家近十年的異常現象，同時給他們澆了一盆冷水：多年前被認為隱藏著全新物理學理論的「神秘現象」，不過是由於測量誤差造成的。

如圖所示，一枚質子由一群夸克和膠子組成。圖片來源：CERN

來源 Quanta Magazine

翻譯 黃鷺

審校/編輯 李光昭

早在 2010 年，德國有物理學家報告稱，他們對質子（註：質子是原子核中帶正電荷的組成要素）的大小進行了極為精確的測量。而其結果非常令人費解。

馬克斯普朗克量子光學研究所（Max Planck Institute of Quantum Optics）的倫道夫·波爾（Randolf Pohl）和他的合作夥伴採用特殊的氫原子測量了質子，在這個氫原子中，正常繞質子軌道運行的電子被 μ 子取代——μ 子可類比於電子，但質量卻是電子的 207 倍。對比通過早期測量方法得出的二十餘組觀測結果的平均值，波爾的團隊發現，被 μ 子環繞的質子半徑為 0.84 飛米（ 1 飛米長度為 10-15米），比普通氫原子中的質子半徑小了 4%。

如果上述差異真實存在，即 μ 子存在的情況下質子確實會發生收縮，那麼意味著質子和 μ 子之間存在未知的物理相互作用——這絕對是一項根本性的發現。近十年來，已經有數百篇論文在猜測這種可能性。

但是，9 月 6 日發表在《科學》（Science）雜誌上的一項新測量結果，打破了「質子半徑之謎」將顛覆粒子物理學、揭示新自然法則的希望。

在波爾發現 μ 子氫 9 年之後，由多倫多約克（York University）大學的埃裡克·赫塞爾斯（Eric Hessels）帶領的一個物理學家團隊，開始對常規的「電子」氫中的質子半徑進行重新測量。最終，赫賽爾斯和他的同事將質子半徑測定為 0.833 飛米（存在 0.01 飛米的誤差範圍），與波爾的測量結果完全一致。兩個團隊的測量方法都比早期嘗試的方法更為精確，這樣的結果預示著質子大小並不隨周圍狀態而發生改變，只是此前採用電子氫的測量結果出現了錯誤。

2018 年夏天的一次研討會上，波爾首次聽說了赫賽爾斯的初步發現，他稱這是「一個不可思議的結果」，儘管它可能是對質子半徑之謎「最平淡的解釋」。

同樣，赫塞爾斯表明自己和同事們也很滿意「與 μ 子氫中的精確測量結果一致」的測量結果——即使這個結果有點令人喜憂參半。「我們知道現在還未能明白全部的物理規律，」他說，「所以必須找到所有可能給我們提示的線索。」

得到質子的半徑並不是一件易事。為了推導出它的值，赫塞爾斯和同事們必須測量蘭姆位移，即氫的第一和第二激發態能級（分別稱為 2S 和 2P 態）之間的差異。埃塞爾斯說，19 世紀 80 年代他還是一名大學生，從那時起他就希望能夠測量蘭姆位移，但最終是質子半徑之謎給了他付諸實踐的動力。「這是一個極其困難的測量，」他說，「我需要一個充足的理由。」

氫的 2S 和 2P 態描述了任意給定時刻電子可能被發現的位置。上圖分別顯示了電子在兩種狀態下可能出現的位置，質子位於每幅圖像的中心，未標記。在 2S 態，電子與質子重疊，在非零時間內，電子在質子內部。在 2P 態，電子和質子永不重疊。圖片來源：PoorLeno

蘭姆位移是為紀念美國物理學家威利斯·蘭姆（Willis Lamb）而命名。蘭姆在 1947 年時第一次嘗試測量該物理量，並通過以下方法揭示了質子的半徑：當一個電子繞著處於 2S 態的質子軌道運動時，會有一段時間出現在質子（由一系列被稱為夸克和膠子的基本粒子組成的粒子群，存在大量空隙）內部。當電子在質子內部運動時，質子的電荷會對其施加反向作用，一定程度上消耗了電子電荷。最終二者之間的電荷引力變小，降低了原子間的結合能力。質子越大，電子在其內部停留的時間越長，電子的束縛越弱，越容易脫離質子。

赫塞爾斯和他的團隊通過向氫氣發射雷射，使電子從 2S 態躍遷到 2P 態，即電子永遠不會與質子重疊的狀態。通過精確測量此躍遷過程所需的能量，可以直接揭示質子的大小。因為這一能量代表了當電子處於質子內部時，2S 態束縛力的強弱。

波爾採用同樣的邏輯，於 2010 年由 μ 子氫的蘭姆位移推導出了質子半徑。但是由於介子比電子更重，它們在 2S 態也會比電子更加緊密地纏繞質子。這意味著它們在質子內部停留的時間更長，使得 μ 子氫中的蘭姆位移對質子半徑的靈敏度是正常氫的幾百萬倍。

在後一種情況下，為了推導出質子半徑的精確值，赫賽爾斯必須精確測量 2S 和 2P 之間的能量差，將誤差控制在百萬分之幾以內。

這個新結果意味著，早期測量電子氫中質子半徑的結果有大於真實值的傾向，但目前還不清楚原因。為了解開這個謎團，一些研究人員可能會繼續改進和核查質子半徑的測量方法。但赫賽爾斯的工作已經完成了，「我們正在拆除我們的設備，」他說。