一项令人喜忧参半的新观测成果，解说了一个困扰了物理学家近十年的异常现象，一起给他们浇了一盆冷水：多年前被以为隐藏着全新物理学理论的“奥秘现象”，不过是因为丈量差错形成的。
如图所示，一枚质子由一群夸克和胶子组成。图片来历：CERN
来历 Quanta Magazine
翻译 黄鹭
审校/修改 李光昭
早在 2010 年，德国有物理学家陈述称，他们对质子（注：质子是原子核中带正电荷的组成要素）的巨细进行了极为准确的丈量。而其成果十分令人费解。
马克斯普朗克量子光学研究所（Max Planck Institute of Quantum Optics）的伦道夫·波尔（Randolf Pohl）和他的合作伙伴选用特别的氢原子丈量了质子，在这个氢原子中，正常绕质子轨迹运转的电子被 μ 子替代——μ 子可类比于电子，但质量却是电子的 207 倍。比照经过前期丈量办法得出的二十余组观测成果的平均值，波尔的团队发现，被 μ 子盘绕的质子半径为 0.84 飞米（ 1 飞米长度为 10-15米），比一般氢原子中的质子半径小了 4%。
假如上述差异实在存在，即 μ 子存在的情况下质子的确会发作缩短，那么意味着质子和 μ 子之间存在不知道的物理相互效果——这肯定是一项根本性的发现。近十年来，现已有数百篇论文在猜想这种或许性。
可是，9 月 6 日宣布在《科学》（Science）杂志上的一项新丈量成果，打破了“质子半径之谜”将推翻粒子物理学、提醒新自然法则的期望。
在波尔发现 μ 子氢 9 年之后，由多伦多约克（York University）大学的埃里克·赫塞尔斯（Eric Hessels）带领的一个物理学家团队，开端对惯例的“电子”氢中的质子半径进行从头丈量。终究，赫赛尔斯和他的搭档将质子半径测定为 0.833 飞米（存在 0.01 飞米的差错规模），与波尔的丈量成果完全共同。两个团队的丈量办法都比前期测验的办法更为准确，这样的成果预示着质子巨细并不随周围状况而发作改动，仅仅此前选用电子氢的丈量成果呈现了过错。
2018 年夏天的一次研讨会上，波尔初次听说了赫赛尔斯的开始发现，他称这是“一个难以想象的成果”，虽然它或许是对质子半径之谜“最平平的解说”。
相同，赫塞尔斯标明自己和搭档们也很满足“与 μ 子氢中的准确丈量成果共同”的丈量成果——即便这个成果有点令人喜忧参半。“咱们知道现在还未能理解悉数的物理规则，”他说，“所以有必要找到一切或许给咱们提示的头绪。”
得到质子的半径并不是一件易事。为了推导出它的值，赫塞尔斯和搭档们有必要丈量兰姆位移，即氢的第一和第二激发态能级（别离称为 2S 和 2P 态）之间的差异。埃塞尔斯说，19 世纪 80 时代他仍是一名大学生，从那时起他就期望能够丈量兰姆位移，但终究是质子半径之谜给了他付诸实践的动力。“这是一个极端困难的丈量，”他说，“我需求一个足够的理由。”
氢的 2S 和 2P 态描绘了恣意给定时刻电子或许被发现的方位。上图别离显现了电子在两种状况下或许呈现的方位，质子坐落每幅图画的中心，未符号。在 2S 态，电子与质子堆叠，在非零时刻内，电子在质子内部。在 2P 态，电子和质子永不堆叠。图片来历：PoorLeno
兰姆位移是为留念美国物理学家威利斯·兰姆（Willis Lamb）而命名。兰姆在 1947 年时第一次测验丈量该物理量，并经过以下办法提醒了质子的半径：当一个电子绕着处于 2S 态的质子轨迹运动时，会有一段时刻呈现在质子（由一系列被称为夸克和胶子的基本粒子组成的粒子群，存在很多空地）内部。当电子在质子内部运动时，质子的电荷会对其施加反向效果，必定程度上耗费了电子电荷。终究二者之间的电荷引力变小，降低了原子间的结合才能。质子越大，电子在其内部逗留的时刻越长，电子的捆绑越弱，越简单脱离质子。
赫塞尔斯和他的团队经过向氢气发射激光，使电子从 2S 态跃迁到 2P 态，即电子永久不会与质子堆叠的状况。经过准确丈量此跃迁进程所需的能量，能够直接提醒质子的巨细。因为这一能量代表了当电子处于质子内部时，2S 态捆绑力的强弱。
波尔选用相同的逻辑，于 2010 年由 μ 子氢的兰姆位移推导出了质子半径。可是因为介子比电子更重，它们在 2S 态也会比电子愈加严密地环绕质子。这意味着它们在质子内部逗留的时刻更长，使得 μ 子氢中的兰姆位移对质子半径的灵敏度是正常氢的几百万倍。
在后一种情况下，为了推导出质子半径的准确值，赫赛尔斯有必要准确丈量 2S 和 2P 之间的能量差，将差错控制在百万分之几以内。
这个新成果意味着，前期丈量电子氢中质子半径的成果有大于实在值的倾向，但现在还不清楚原因。为了解开这个疑团，一些研究人员或许会持续改善和核对质子半径的丈量办法。但赫赛尔斯的作业现已完成了，“咱们正在撤除咱们的设备，”他说。
