質子半徑之謎即將被揭開？

來源：原理微信公眾號

質子的半徑是有多大？或許你會想，這很難嗎？畢竟離質子發現已經100年過去了（詳見

《探索比原子更小的世界》

），難道科學家還無法得出一個結果？事實上，要精確的測量比想象中難很多，因為與我們在宏觀世界中看到的那些球體不同的是，質子並沒有一個清晰的物理邊界。

由於質子是非常基本的一種粒子，所以科學家耗費了很大的精力來測量它的大小。但質子又是如此之小，大約只有1飛米（1飛米=10???米），這比氫原子的半徑小6萬多倍。想要通過直接的測量方式來測得質子半徑幾乎是不可能的，我們必須借助其他的力量來完成這項任務。

根據量子力學，我們知道一個原子中的電子只能在一定距離上繞著它的原子核公轉，這一距離對應於不同的能級。如果電子以光子的形式吸收或釋放了能量，它可以在能級之間跳躍。因此，氫原子就變成了一個很好的測量對象，它只有一個電子和一個質子。氫原子光譜實驗便是研究質子半徑的一種重要方法。

長時間以來，物理學家給出的質子半徑的“官方”數值為0.877飛米。他們通過兩種測量方法獲得了這一數值，第一種方法是上述的利用氫光譜來測量質子的能級；還有一種方法是利用電子散射實驗，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。

但是自2010年以來，這個被普遍認可的結果卻面臨了危機。當時，馬克斯普朗克量子光學研究所物理學家Randolf Pohl為了進一步提高質子半徑值的測量精度，他們使用了μ子氫來進行氫原子光譜實驗，與原子氫不同的是，在μ子氫中，繞著質子旋轉的是一個帶負電的μ子。由於μ子的質量是電子的200倍，因此與電子比起來，μ子繞質子的軌道會更貼近質子，因此也就可以更精確地確定質子的大小。

通過這種方法，他們測得的質子半徑結果是0.842±0.001飛米，它的精確度比之前結果提高了10倍，但其數值卻比之前小了4%，數值偏差將近6σ。質子半徑數值的這種不一致，被稱為“質子半徑之謎”，它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，我們仍沒有一個明確的解決方案。

在2013年的後續研究中，物理學家繼續用μ子氫測量質子的半徑，尤其是檢查了從能級2S到2P（即蘭姆位移）的躍遷之後，得到的數值為0.841飛米，進一步確認了2010年的結果。這樣的測量結果使得物理學家不得不對已被珍視已久的輕子普遍性原則產生了質疑。

在最近的一些測量結果中，質子在進一步地“變瘦”。2016年，物理學家開始用μ子氘的蘭姆位移來測量質子的半徑。氘是氫的一種同位素，與氫相比，它的原子核中除了一個質子之外還包含一個中子，因此在實驗中，研究人員使用的就是讓一個束縛態的μ子繞著一個質子和中子運行。他們得到的質子半徑結果為0.837飛米。

然而有趣的是，2017年，馬克斯普朗克量子光學研究所的Axel Beyer和他的合作者通過觀測普通氫從2S到4P的躍遷，得到了相似的結果，他們測得的質子半徑為0.834飛米。據這一結果也得到了一些即將被發表的最新結果的證實：最近，Beyer對普通氫從1S到3S的躍遷進行了測量，加拿大約克大學的Eric Hessels與他的團隊也對2S到2P躍遷進行了測量，他們表示，新的結果都與2017年的數值相吻合。這意味著，用μ子光譜和電子光譜對質子半徑的測量差異已經不存在了。

那麽光譜實驗和電子散射實驗之間的差異是否解決了呢？基於電子散射數據來進行質子半徑計算是一項非常棘手的工作，這是因為當你將一束電子束射向一個質子時，質子會具有反衝作用。因此，實驗物理學家可以通過在越來越小的尺度上進行散射實驗來降低模型的不確定性。現在，通過電子散射所測得的質子半徑數值可能與用μ子光譜和電子光譜所得到的最新結果相一致。

2017年，美因茨大學的Miha Mihovilovic和同事利用電子回旋加速器Mainz Microtron，測得了一個更低的數值，0.811飛米；而由傑弗遜實驗室的質子半徑實驗（pRad）所得到的結果也會是一個比較低的數值，而且pRad的實驗結果將具有更小的誤差值。2018年10月，在夏威夷舉行的一次學術研討會議上，pRad發表了他們的初步質子半徑測量，結果為0.830飛米。

現在，歐洲核子研究中心（CERN）的COMPASS實驗和PSI的MUSE實驗正在進行μ子散射實驗，他們的結果將會對這些從電子散射實驗得出的結果進行補充。如果用各種不同的實驗方法將繼續得到與2010年測得的結果一致，那麽或許我們很快就能揭開質子半徑之謎。

參考鏈接：

[1] https://cerncourier.com/solving-the-proton-radius-puzzle/

[2] https://arxiv.org/pdf/1502.05314.pdf

[3] https://science.sciencemag.org/content/339/6118/417.full

[4] https://www.newscientist.com/article/dn23105-shrinking-proton-puzzle-persists-in-new-measurement/

[5] https://science.sciencemag.org/content/353/6300/669