近日，一項新的測量方法證實了 2010 年的發現：質子比之前認為的要小。
2013 年用量子顯微鏡拍攝的氫原子電子軌道圖。近十年來，物理學家們一直試圖用氫原子來解決在質子半徑上的相互矛盾的實驗結果。
圖|氫原子電子軌道圖（來源：APS/Alan Stonebraker）
多倫多約克大學的物理學家們在過去 8 年裡精心進行了一項敏感的實驗，用來測量質子的電荷半徑，希望能解決過去10 年裡進行的幾次類似實驗得出的相互矛盾的數值難題。這個難題被稱為「質子半徑之謎」。近日，發表在 Science 雜誌上的一篇新論文證實了 2010 年的一項發現，即質子比科學家此前認為的要小得多。
大多數關於原子結構的討論都依賴於備受詬病的玻爾模型，該模型中電子繞原子核作圓周運動。可以說，量子力學是物理學的敲門磚，但它還給了我們一個更精確(也更奇怪)的描述。電子並不是繞著原子核轉。
從技術上講，它們是一種波，只是當我們做實驗來確定其位置時，它們具有粒子的性質。當電子繞原子軌道運行時，它們以粒子和波的狀態疊加的形式存在，波函數同時包含其位置的所有概率。測量會使波函數塌縮，從而得到電子的位置。做一系列這樣的測量，並繪製出不同的位置，它將產生模糊的軌道軌跡。
量子物理的奇異性也延伸到了質子。從技術上講，質子是由三個帶電夸克組成的，它們被強大的核力束縛在一起。但它的邊界是模糊的，就像一朵雲。我們怎麼討論雲的半徑呢?物理學家依靠電荷密度來做到這一點，類似於雲中的水分子密度。質子半徑是電荷密度降到一定能量閾值以下的邊界到核心的距離。可以通過研究電子與質子之間的相互作用和電子散射實驗，或者利用電子或介子光譜學來觀察原子能級之間的差異，來測量質子半徑。這被稱為「Lamb 轉移（ Lamb shift）」，以諾貝爾獎得主 Wallis Lamb 的名字命名，她於 1947 年首次測量了這種轉移。電子和質子的混合模糊性意味著電子可以在該區域的任何地方，包括質子內部。
氫原子是最簡單的原子，它只有一個質子和一個環繞的電子，所以它就成了物理學家在實驗中用來測量質子電荷半徑的典型方法。在很長一段時間內，科學家普遍接受的值是 0.876飛米（1x10^-15m），這是世界上許多不同測量值的「平均值」，而且已經考慮了足夠的誤差條件。
圖| Eric Hessels（來源：York University）
早在 2010 年，介子光譜測量就首次挑戰了這個問題。在他們的實驗中，馬克斯普朗克量子光學研究所（Max Planck Institute of Quantum Optics）的物理學家們使用了介子氫，用一個介子取代了繞原子核旋轉的電子。由於它比電子重近 200倍，所以它的軌道要小得多，因此它在質子內部的概率要高得多( 1000 萬倍)。由於它離質子更近，這使得這種測量技術的靈敏度提高了一千萬倍。
這支物理學家團隊只是希望他們測量到的質子半徑與之前的實驗大致相同，而確定性更高。理論上，電子和介子之間應該沒有區別(除了質量和壽命)。然而，他們測量的質子半徑明顯小於 0.841 飛米，比它還小 0.00000000000003 毫米，遠遠超出了之前建立的誤差。它與用其他測量方法得到的值相差五個標準差。
「這當然為較小的尺寸才是正確的提供了相當充分的理由。」
Pohl 等人花了數年時間反覆檢查他們的數據，因此，如果這是一個實驗錯誤，或者量子電動力學的基礎理論( QED，描述光如何與物質相互作用)不知何故被誤用了，這都將是一個嚴重的錯誤。理論家們就需要考慮是否對量子電動力學進行調整，以考慮介子性質可能存在的細微差異。最令人興奮的可能性是：這可能是超越了物理學標準模型的新物理學的線索。這一直是最不可能的結果，在接下來的十年裡，這種可能性變得更小了。
隨後各小組的測量結果都不能確定較大或較小的值是否正確。例如，2013 年，同一個國際團隊進行了基於介子的實驗，驗證了他們 2010 年的值，測量出質子半徑為 0.84 飛米，誤差為 7 西格瑪。2016 年的另一項實驗涉及在氘原子(氫的較重同位素，它有一個質子、一個中子和一個電子)中用介子取代電子。當時的想法是，中子的存在將改變電子和介子感知質子電荷的方式。這也符合 2010 年的結果。
然而，使用常規氫原子來測量質子半徑的兩個實驗得出了好壞參半的結果:Theodor Hansch的團隊(團隊裡有Pohl) 2017 年的一項研究也證實了 2010 年的結果，而 2018 年的一項測量則與 2010 年之前的較大值一致。因此，約克大學的科學家們最近選擇了一種基於電子的質子半徑測量方法，類似於 2010 年最初的基於介子的測量方法，希望能讓各種相互矛盾的結果更接近共識。
圖|約克大學團隊的測量儀器（來源：N. Bezginov et al./Science）
雖然介子的測量需要大型粒子加速器來產生介子，但約克大學的研究小組能夠進行桌面實驗，當然，使用的是一個相當大的桌面，大約 4 米( 13 英尺)。他們故意做了一個盲測，確保沒有任何誤差，最終在論文發表前的幾周證實了他們在過去八年中測量結果的價值。小組組長 Eric Hessels 說：「實驗困難在於確保我們不受測量中任何可能使能量狀態複雜化或改變的因素影響，這 8 年的大部分時間都花在了仔細理解測量方法的各個方面，這樣我們就可以小心翼翼地消除出錯的可能性。」
實驗結果顯示，他們測量的 0.833 飛米(略小於一米的一萬億分之一)與 2010 年的研究結果相符。這對粒子物理學標準模型來說是個好消息，而對那些希望看到一些令人興奮的新物理學的人來說是個壞消息。Hessels 說:「因為這是一個直接的比較，所以較小的尺寸肯定是正確的尺寸。」
其他團體目前正在進行更多的實驗，他預計，隨著這些結果在未來幾年逐漸顯現出來，學界將逐漸達成共識。
Hessels 在談到進行此類實驗的動機時說：「從根本上說，我們很想了解所有的物理定律是什麼，如果存在一個沒人能解釋的差異，就有可能永遠不能理解物理定律。如果我們同意質子的半徑更小,這將成為我們理解的另一個物理定律的重要模塊,並允許我們使用氫原子進行其他測試：更高的精度測試量子電動力學理論,或者測試是否有其他東西超出了物理學標準模型」。