質子是怎麼來的
質子可以說是我們日常生活中最重要的粒子，它構成了原子的三個核心組成部分之一，並決定著元素的特性。這使得它的各種屬性的值格外重要。
對於其中一種被稱為電荷半徑的特性的實驗分歧，讓科學家開啟了十年來越來越精確的測量之路，科學家們在11月6日的《自然》雜誌上公佈了一種新的測量方法的結果。期待已久的實驗結果表明，質子比先前接受的值小約5％。研究人員認為這個不確定性的謎題正在接近尾聲，十年之謎終於解開。
雖然質子沒有明確的邊界，但電荷半徑仍然可以透過其他帶電粒子看到的橫截面範圍的均方根來很好地定義。大約十年前，多個光譜學和散射實驗似乎都表明質子半徑為0。8768飛米，一飛米等於百萬分之一毫米。
然而2010年德國加興的馬普量子光學研究所的倫道夫波爾和他的同事，透過測量得出了質子的半徑為0。84184飛米，比接受值0。88飛米小5個標準差。這個質子半徑的測量新值意外地引起了各種質疑。
從那以後，在各國科學家進行的一系列的質子半徑研究中，研究中既有支援舊的電荷半徑直徑的，也有支援新的更小的電荷半徑的值。這一分歧被稱為質子半徑之謎，這為新的物理學解釋質子為什麼以及在什麼條件下表現出不同提供了可能性。現在幾種不同的方法已經產生了一致的較小的質子半徑值，並可能解決了這個謎題。
早在2010年，波爾和他的同事們就測量了由μ介子環繞的質子氫中的氫原子能級。μ介子的質量是電子的207倍，它圍繞質子的軌道更緊密。因此介子氫的蘭姆位移更大，更容易測量，而且不確定度更低。波爾的團隊測得了質子半徑大約0。84飛米，遠遠低於常規電子氫的散射和光譜測量的接受值。
μ介子和電子具有相同的電荷，屬於相同的輕子基團，所以兩個系統中質子的電荷半徑應該是相同的。然而結果表明質子與μ介子和電子的相互作用可能存在不同，這一反常現象與粒子物理學的標準模型相矛盾。
但是加拿大約克大學的埃裡克·赫塞爾斯和他的同事在2019年9月進行的一項研究證實，透過光譜測量，介子和電子氫的質子半徑是相同的。他們測量了電子氫的蘭姆位移，該測量類似於之前波爾和他的合著者的測量。但是這次測量需要實驗策略才能達到百萬分之一的精度。
研究人員利用一系列射頻場驅動氫的能量躍遷，並在兩個場之間增加了相位差。 結果是測量的原子訊號和由於射頻場干擾的參考訊號之間的相位差。 如果測得的相位差不符合他們的預期，研究人員可以識別並減少系統誤差的來源。 最終他們獲得的質子半徑約為0。83 fm，與此前波爾研究小組的值基本一致。
最近來自美國、烏克蘭、俄羅斯和亞美尼亞的科學家組成了合作小組，進行質子半徑PRad實驗。他們在弗吉尼亞州紐波特紐斯的托馬斯·傑斐遜國家實驗室中使用了加速器，進行新的質子-電子散射實驗，重新測量了質子-電子散射。
該實驗包括一束電子撞擊低溫冷卻的氫氣，接著是一系列探測器，測量電子在散射後的去向以及它們的能量，最後是一個未散射電子透過的孔。這種測量方法改進了過去的散射實驗，更準確地測量了電子被質子輕微散射的情況，並使用不同的探測器來測量電子的能量。其他各種提高實驗精度的策略還包括考慮電子的散射以及建造沒有可能產生額外噪音的入口和出口視窗的氫氣容器。
根據該研究小組發表發表在《自然》雜誌上的新論文，科學家現在能夠精確得出的半徑測量值是0。831飛米，他們的研究與2019年9月赫塞爾思團隊測量的值一致，與透過聲波和電子氫譜法測量得到的較小值一致，此前測量的微小差異可能是由於測量誤差所致。
未參與該項研究的波蘭華沙大學的教授Krzysztof Pachucki，發表了個人意見，它認為這個有關質子半徑的十年謎題已經可以收尾結束了。
