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來自德國(guó)馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所、美國(guó)科羅拉多大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家，開展了兩項(xiàng)極其精密的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果相互吻合，他們測(cè)得質(zhì)子半徑約為0.84飛米（1飛米等于一千萬億分之一米），與此前質(zhì)子半徑測(cè)量值一致。最新發(fā)現(xiàn)不僅破解了“質(zhì)子半徑之謎”，還有望推動(dòng)新粒子的發(fā)現(xiàn)。兩篇論文分別發(fā)表于最新一期《自然》雜志和《物理評(píng)論快報(bào)》雜志。

作為世界的基本組成部分，質(zhì)子曾被認(rèn)為早已被人類理解，其由3個(gè)夸克組成，大小也已知。然而，2010年，一項(xiàng)基于μ子氫原子的測(cè)量卻顯示，質(zhì)子半徑可能比預(yù)期小約4%，“質(zhì)子半徑之謎”由此產(chǎn)生。2019年，另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步支持了此前半徑被高估的觀點(diǎn)。如今，兩個(gè)互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)似乎終于讓問題塵埃落定。

為精準(zhǔn)測(cè)定質(zhì)子半徑，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都聚焦于氫原子。每個(gè)氫原子只有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子。二者電荷相反，相互施加電磁力，這種相互作用影響著電子在原子內(nèi)的能量狀態(tài)。而這一相互作用又與質(zhì)子大小相關(guān)。因此，測(cè)量電子在原子中不同能級(jí)之間躍遷時(shí)的變化，就能反推出質(zhì)子的半徑。

兩個(gè)小組都采用激光操控氫原子中的電子，并測(cè)量了3個(gè)此前從未被觀測(cè)過的能級(jí)躍遷。由此計(jì)算出的質(zhì)子半徑，不僅彼此一致，也與2010年的“反?！苯Y(jié)果吻合。研究團(tuán)隊(duì)表示，“質(zhì)子半徑之謎”或已成為歷史。

這類實(shí)驗(yàn)極其困難。氫原子必須完全置于真空中，所用激光器昂貴且需極其精密的校準(zhǔn)。即便數(shù)據(jù)采集只需三四周，但梳理和排查所有可能干擾最終測(cè)量的誤差來源，往往要花費(fèi)數(shù)年。而且，每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)氫氣的操控方式高度專業(yè)化，一旦結(jié)果出現(xiàn)分歧，追查原因十分棘手。最新兩篇論文為同一個(gè)數(shù)值提供了不同的驗(yàn)證視角，佐證了結(jié)果的可靠性。

質(zhì)子大小的確定性增強(qiáng)，對(duì)通過氫原子電子行為探尋新粒子的理論尤為關(guān)鍵。事實(shí)上，研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)精度已高達(dá)百萬分之零點(diǎn)五，足以檢驗(yàn)當(dāng)前最完善的數(shù)學(xué)模型——量子電動(dòng)力學(xué)的預(yù)言。實(shí)驗(yàn)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)任何偏差，也未見新作用力或新粒子的蛛絲馬跡。

這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也為類似研究成為粒子物理學(xué)的重要工具鋪平了道路。巨型粒子對(duì)撞機(jī)可以尋找新的重粒子，而這些基于氫原子和激光的“桌面實(shí)驗(yàn)”，則有可能發(fā)現(xiàn)那些極輕、難以捕捉的粒子。