两项精密实验破解“质子半径之谜”
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科学家测量真空室内氢原子中电子的跃迁，从而推断质子大小。图片来源：英国《新科学家》杂志网站
来自德国马克斯·普朗克量子光学研究所、美国科罗拉多大学等机构的科学家，开展了两项极其精密的实验，结果相互吻合，他们测得质子半径约为0.84飞米（1飞米等于一千万亿分之一米），与此前质子半径测量值一致。最新发现不仅破解了“质子半径之谜”，还有望推动新粒子的发现。两篇论文分别发表于最新一期《自然》杂志和《物理评论快报》杂志。
作为世界的基本组成部分，质子曾被认为早已被人类理解，其由3个夸克组成，大小也已知。然而，2010年，一项基于μ子氢原子的测量却显示，质子半径可能比预期小约4%，“质子半径之谜”由此产生。2019年，另一项实验进一步支持了此前半径被高估的观点。如今，两个互补实验似乎终于让问题尘埃落定。
为精准测定质子半径，两个团队都聚焦于氢原子。每个氢原子只有一个质子和一个电子。二者电荷相反，相互施加电磁力，这种相互作用影响着电子在原子内的能量状态。而这一相互作用又与质子大小相关。因此，测量电子在原子中不同能级之间跃迁时的变化，就能反推出质子的半径。
两个小组都采用激光操控氢原子中的电子，并测量了3个此前从未被观测过的能级跃迁。由此计算出的质子半径，不仅彼此一致，也与2010年的“反常”结果吻合。研究团队表示，“质子半径之谜”或已成为历史。
这类实验极其困难。氢原子必须完全置于真空中，所用激光器昂贵且需极其精密的校准。即便数据采集只需三四周，但梳理和排查所有可能干扰最终测量的误差来源，往往要花费数年。而且，每个实验对氢气的操控方式高度专业化，一旦结果出现分歧，追查原因十分棘手。最新两篇论文为同一个数值提供了不同的验证视角，佐证了结果的可靠性。
质子大小的确定性增强，对通过氢原子电子行为探寻新粒子的理论尤为关键。事实上，研究团队的实验精度已高达百万分之零点五，足以检验当前最完善的数学模型——量子电动力学的预言。实验结果未发现任何偏差，也未见新作用力或新粒子的蛛丝马迹。
这两项实验也为类似研究成为粒子物理学的重要工具铺平了道路。巨型粒子对撞机可以寻找新的重粒子，而这些基于氢原子和激光的“桌面实验”，则有可能发现那些极轻、难以捕捉的粒子。
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