延续百年的质子半径之谜，终于被破解了！

在现代物理学中，物理学家通常认为电子是半径为0的点粒子，而质子是由三个夸克和一些胶子组成的球体。这个球体的半径不等于0，但是质子半径是多少？这个问题不仅没有明确的答案，而且还引发了争议:两种方法测量的质子半径存在不可调和的差异。

现在，在《自然》杂志上发表的一项新研究中，难题似乎已经成形:研究小组通过质子-电子散射测量的最新质子半径为0.831毫微微米(1毫微微米=10-15米)，比之前的测量值小了约5%。这时，两种实验方法得到的质子半径终于达成一致。

张华

编辑|吴菲

康普顿波长

1918年，时任英国剑桥大学卡文迪许实验室主任的物理学家卢瑟福首次发现了质子。当他的研究小组用阿尔法粒子轰击氮核时，闪光探测器会记录氢核，这是质子的标志。然而，当时的实验方法无法探测质子的半径。

量子力学的出现给了科学家一种描述质子的新方法。从量子力学的角度来看，质子也是一种微观粒子，即它具有波粒二象性。理论上，微观粒子的大小可以用康普顿波长来描述:

这里，h是普朗克常数，m是质子的质量，c是光速。将质子的质量代入上述公式，质子的康普顿波长可计算为1.32毫微微米。这些数据有一定的参考价值，可以理解为质子的最小直径。在这个估计中，质子内部的成分以光速运动，但是它的实际运动速度低于光速，所以估计值小于实际值。

因此，用康普顿波长来估计质子大小不是很严格。对于质子来说，它本身是由夸克和胶子之间的强相互作用形成的束缚态。为了计算质子的精确半径，必须找到这种强相互作用的解析解或数值解。然而，由于这种相互作用的复杂性，“在要求的精度范围内，人们还没有根据第一原理直接而精确地计算出质子的半径。”北师大物理系的年轻研究员刘小慧说。

质子半径之谜

虽然很难计算质子半径，但人们已经通过实验确定了质子的真实半径。目前，测量质子半径的方法主要有两种。

一种是利用兰姆位移的光谱学实验方法。兰姆位移是指真空电磁场影响下氢原子光谱的精细结构。由于质子不是点粒子，而是有一定大小的粒子，当电子穿过质子时，兰姆位移(即原子的能谱)会受到质子大小的影响。通过这种影响，结合量子场论的精确微扰计算，可以从兰姆位移获得质子的半径数据。

另一种方法是通过其他带电粒子与质子的散射来确定质子的半径。这种测量方法与一个叫做“形状因子”的关键物理概念有关。简而言之，形状因子是动量空间中电荷的分布。在散射过程中，当与质子相互作用的虚光子的质量接近零时，形状因子曲线的斜率与质子的半径成正比。因此，只要通过实验测量形状因子，就可以获得质子半径。

通过这两种实验方法，科学界一度得出了一致的结论。十年前，两种方法测得的质子半径约为0.8768毫微微米。然而，在2010年，分歧出现了。

在光谱质子半径测量实验中，研究人员用μ子代替了电子。μ子和电子有相似的性质，但是它的质量是电子的200倍。它们在质子中停留的时间更长，因此它们的能级受质子大小的影响更大。因此，与电子相比，μ子计算的质子半径应该更精确。此时，实验给出的质子半径为0.84184毫微微米——质子半径变小了。

从那以后，更多的光谱实验进一步证实了更小的质子半径。在今年早些时候发表在《科学》杂志上的一项研究中，加拿大约克大学的研究小组指出，不仅是μ子——在改进了实验设备之后，由普通电子的兰姆位移测得的质子半径只有0.833毫微微米。然而，通过散射实验获得的质子半径总是保持在大约0.8768毫微微米。

这5%的差距是如何产生的？物理学家从未找到一个合理的解释来解释质子半径之谜。

现在，在《自然》杂志发表的一项新研究中，两种测量方法的结论似乎终于达成了一致。

实验过程

这项研究是由美国、乌克兰、俄罗斯和亚美尼亚的一个合作小组进行的。他们在弗吉尼亚州的托马斯·杰斐逊国家实验室使用加速器设备重新进行了质子-电子散射实验。

实验设备图。最右边的混合热量计是提高实验准确度的关键之一。

这是一个精度较高的电子和质子弹性散射实验。刘小慧说，在实验过程中，科学家需要精确控制散射过程中产生的虚光子的“质量”——只有当虚光子的“质量”非常接近于零时，碰撞才是弹性的，然后形状因子才能对应于质子的半径。

那么，如何在实验中实现这一点呢？

在实验中，研究小组使用一束高能电子撞击低温冷却的氢气，然后使用一系列探测器测量电子散射后的发射角和它们的能量，而未散射的电子则通过一个小孔自行飞走。在这个过程中，测量散射电子的出射角是非常重要的:如果出射角接近0，对应的虚光子质量接近0，那么就可以精确地测量质子半径。

研究小组用热量计代替传统的磁谱仪来检测散射电子的角度，大大降低了实验的不确定度，提高了实验的准确度。此外，研究小组还改进了氢气流入空气的方式，这也有助于更精确地测量质子弹性散射的电子角度。

在这项最新的研究中，研究小组测量的质子半径为0.831毫微微米，这与之前通过光谱兰姆位移获得的0.833毫微微米非常接近。因此，这两种方法测量的质子半径最终可以相互验证。

原始纸张:

来自电子-质子散射实验的小质子电荷半径，《自然》第575卷，2019年11月7日

参考:

Bezginov等人，《科学》365，1007–1012(2019)

http://www . scientific American . com/article/how-big-is-the-质子-粒子-尺寸-拼图-跳跃-更接近分辨率/