近日，一項新的測量方法證實了 2010 年的發(fā)現(xiàn)：質(zhì)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(zhì)子半徑上的相互矛盾的實驗結(jié)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 年里精心進行了一項敏感的實驗，用來測量質(zhì)子的電荷半徑，希望能解決過去10 年里進行的幾次類似實驗得出的相互矛盾的數(shù)值難題。這個難題被稱為“質(zhì)子半徑之謎”。近日，發(fā)表在 Science 雜志上的一篇新論文證實了 2010 年的一項發(fā)現(xiàn)，即質(zhì)子比科學家此前認為的要小得多。

大多數(shù)關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的討論都依賴于備受詬病的玻爾模型，該模型中電子繞原子核作圓周運動?？梢哉f，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。電子并不是繞著原子核轉(zhuǎn)。

從技術(shù)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(zhì)。當電子繞原子軌道運行時，它們以粒子和波的狀態(tài)疊加的形式存在，波函數(shù)同時包含其位置的所有概率。測量會使波函數(shù)塌縮，從而得到電子的位置。做一系列這樣的測量，并繪制出不同的位置，它將產(chǎn)生模糊的軌道軌跡。

量子物理的奇異性也延伸到了質(zhì)子。從技術(shù)上講，質(zhì)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，就像一朵云。我們怎么討論云的半徑呢?物理學家依靠電荷密度來做到這一點，類似于云中的水分子密度。質(zhì)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?？梢酝ㄟ^研究電子與質(zhì)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(zhì)子半徑。這被稱為“Lamb 轉(zhuǎn)移（ Lamb shift）”，以諾貝爾獎得主 Wallis Lamb 的名字命名，她于 1947 年首次測量了這種轉(zhuǎn)移。電子和質(zhì)子的混合模糊性意味著電子可以在該區(qū)域的任何地方，包括質(zhì)子內(nèi)部。

氫原子是最簡單的原子，它只有一個質(zhì)子和一個環(huán)繞的電子，所以它就成了物理學家在實驗中用來測量質(zhì)子電荷半徑的典型方法。在很長一段時間內(nèi)，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(jīng)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(zhàn)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(zhuǎn)的電子。由于它比電子重近 200倍，所以它的軌道要小得多，因此它在質(zhì)子內(nèi)部的概率要高得多( 1000 萬倍)。由于它離質(zhì)子更近，這使得這種測量技術(shù)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(zhì)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(yīng)該沒有區(qū)別(除了質(zhì)量和壽命)。然而，他們測量的質(zhì)子半徑明顯小于 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?！?/p>

Pohl 等人花了數(shù)年時間反復(fù)檢查他們的數(shù)據(jù)，因此，如果這是一個實驗錯誤，或者量子電動力學的基礎(chǔ)理論( QED，描述光如何與物質(zhì)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(diào)整，以考慮介子性質(zhì)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(jié)果，在接下來的十年里，這種可能性變得更小了。

隨后各小組的測量結(jié)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于介子的實驗，驗證了他們 2010 年的值，測量出質(zhì)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(zhì)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(zhì)子電荷的方式。這也符合 2010 年的結(jié)果。

然而，使用常規(guī)氫原子來測量質(zhì)子半徑的兩個實驗得出了好壞參半的結(jié)果:Theodor Hansch的團隊(團隊里有Pohl) 2017 年的一項研究也證實了 2010 年的結(jié)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于電子的質(zhì)子半徑測量方法，類似于 2010 年最初的基于介子的測量方法，希望能讓各種相互矛盾的結(jié)果更接近共識。