彭涛编译
氢原子是国际中结构最简略的原子，它的原子核只包括一个质子，原子核外只要一个电子。作为氢原子核的“仅有成员”，质子到底有多大？怎么精确丈量它的巨细呢？
在详察质子巨细的丈量办法之前，有必要先简略了解原子的内部图画。就像许多教科书里的概念图所示，原子由原子核和电子组成，原子占的空间比原子核大得多，以至于电子大部分时分在极为“空阔”的原子内部穿行。可是，限于册页的篇幅和人眼的分辩才能，就像太阳系的五颜六色插图难以展示太阳与其行星巨细的实在比照，有关原子结构的概念图也很少能实在展示原子内部的空阔程度——事实上，假如把氢原子比作地球，质子也就像篮球那么大。
所以，丈量质子有多大的问题留给物理学家的疑问实质是，他们要根据试验丈量和理论推演，把握当一颗颗小球（电子）在地球（原子）那么大的空间里运动时，把正中央的篮球（质子）看作一个点（半径为0）和虑及篮球的实践巨细（半径不为0）这两种状况之间的不同，并从这种不同中精确核算质子的半径。
长久以来，物理学家有两种办法来丈量这种纤细的不同。根据前面的图画可以估计，这两种丈量办法必定反映了质子巨细的物理实质。
办法I：运用兰姆移位（Lamb Shift）的光谱学试验丈量质子半径。电子绕原子核运动，电子的绕行轨迹有或许穿过原子核中的质子，质子的巨细影响着电子与原子核结合的强度。假如能精确丈量电子不同能级之间的不同，就能据此预算质子半径。简略的了解是，把质子当成一个没有巨细的点时，核算得出的电子能谱，与实在测得的电子能谱存在纤细的不同，这个不同里隐含了有关质子巨细的信息。
（图源：aleksandarnakovski/iStock）
办法II：经过电子-质子弹性散射试验丈量质子的半径。用高能电子碰击原子核，观测这些电子从原子核中散射的视点和能量可以预算出质子半径。形象地说，这种办法就像测一个铁球的半径，试验人员拿弹性球碰击铁球，测得弹性球碰击铁球后的出射视点和出射速度，再结合其他一些已知物理量，就能算出铁球的半径。
什么是“质子半径之谜”
2010年曾经，物理学家选用办法I和II测得的质子半径均约为0.8768飞米（1飞米＝10-15米）。可是到了2010年，一项新的试验改变了物理学界对质子半径的共同。
这一年，德国马克斯·普朗克量子光学研讨所的物理学家鲁道夫·波尔和他的合作者用根据办法I的改善计划——选用特别的氢原子（“μ子”氢）能谱来丈量质子半径，丈量成果为0.84184飞米，比2010年曾经用电子氢测得的值小4%左右。
在μ子氢中，氢原子核外的电子被μ子替代。同电子e相同，μ子也是带电轻子宗族（e, μ, τ）的三名成员之一。μ子所带电荷与电子相同，但质量约为电子的200倍，可当作超重版的电子。
μ子氢中的μ子比电子氢中的电子离原子核更近，μ子在原子核外的运转周期更长。这在某种程度上预示着质子半径对μ子能级的影响比电子能级大得多，所形成的能级偏移也愈加明显。
换句话说，μ子能谱对质子的巨细更为灵敏。正由于更灵敏，从μ子能谱测得的质子半径也更精确，这就像一条灵敏的舌头对滋味的判别更精确相同。从μ子能谱测得的质子半径差错只要电子时的几百万分之一。
2019年9月，加拿大约克大学的埃里克·海塞尔研讨团队用根据办法I的另一改善计划丈量了电子氢中的质子半径，成果为0.833飞米。该成果与鲁道夫·波尔2010年测得的成果根本符合，意味着2010年前选用的质子半径值是很不精确的。
2013年用量子显微镜拍照的氢原子电子轨迹图画。近十年来，物理学家一向试图用氢原子来处理质子半径上的试验成果之间的对立。
可是要让物理学界承受这一成果并不那么简单，由于物理学家无法解说办法II的过错之处（经过它测得的质子半径与未改善的办法I测得的成果共同，因而是有问题的）。
为了让办法I和II测得的质子半径共同，2010年以来，许多物理学家都测验对根据办法II的试验计划进行改善。可是，无论怎么改善丈量设备和条件，丈量成果一直在0.8768飞米左右，这便是所谓的“质子半径之谜”。
谜底怎样被揭开
办法I和II测得的成果存在差异，这是什么原因导致的呢？是物理理论不完善，仍是试验办法有缺点？物理学界一直没有找到合理的解说。
11月6日，《天然》杂志刊登了美国、乌克兰、俄罗斯和亚美尼亚科学家组成的团队的一项重要研讨成果，他们改善了办法II的电子-质子弹性散射试验条件，由此测得的质子半径为0.831飞米，这一成果与改善的办法I的丈量成果（0.833飞米）十分符合！
研讨人员表明：“这个成果是绝无仅有的！”现在，他们正等待将这一成果与国际范围内的其他研讨进行比较，以查验成果的精确度。
试验设备图
这项根据办法II的改善试验之所以能取得打破，首要归功于三种立异技能和办法的运用：
选用一种新式无窗靶。一个4厘米长的无窗低温冷却氢气流靶，每平方厘米上经过2×1018个氢原子。无窗靶直接将冷却的氢气注入加速器中1.1和2.2 GeV的电子流中，使得散射电子简直能不受阻止地进入探测器，以此丈量电子在散射后的出射视点以及能量。
运用高分辩率混合式量热计。混合式量热计用于丈量散射电子的能量和方位，而新构建的高分辩率X-Y气体电子倍增器也以更高的精确度检测到电子方位。经过实时比较两个探测器的数据，物理学家可以将每个检测成果分类为电子-电子散射或电子-质子散射。这种新的分类办法使物理学家可以将电子-质子散射数据归一化为电子-电子散射数据，这大起伏的降低了试验成果的不确定性，提高了试验成果的精度。
改善了氢气气流的进气办法。这种办法能愈加精确地丈量电子被质子弹性散射后的视点，探测器放置在离电子束碰击氢靶极小的视点，视点在1度以内。
研讨人员称，假如试验取得重复验证，不光意味着质子半径之谜将完全被破解，并且该办法将会为这一范畴带来打破性的发展，比方丈量氘核半径等。
无独有偶，据报道，欧洲核子研讨中心正选用办法II的另一改善计划（μ子-质子弹性散射）来丈量质子半径，这项试验在美国弗吉尼亚州托马斯·杰斐逊国家试验室中的接连电子束加速器中进行。假如用各种不同办法测得的成果与现在的成果共同，那么或许咱们很快就能破解质子半径之谜。
参考文献：
A small proton charge radius from an electron–proton scattering experiment ，Nature Vol 575 7 November 2019
https:///article/how-big-is-the-proton-particle-size-puzzle-leaps-closer-to-resolution/
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