3年前，物理学界爆出一条令科学家困惑至今的初步研究结果：在一种奇异的氢原子中测得的质子大小（确切地说，是它的电荷半径），明显比此前在普通氢原子或者电子－质子散射实验中测得的结果要小。那种奇异的氢原子被称为μ氢，原子核外的电子被一个带负电荷的μ子所取代。如今，同一个研究组所作的最新测量，不仅证实了质子的电荷半径数据，还通过μ氢激光光谱实验首次测出了质子的磁荷半径。这一结果发表在2013年1月25日出版的《科学》杂志上。

在探索物理学基本定律方面，氢原子扮演着关键角色。它的原子核由单个携带正电荷的质子构成，外围则是一个携带负电荷的电子，是宇宙中结构最简单的原子。它的能级可以从量子电动力学理论中得到精确预言。不过，这样的理论计算必须考虑一个因素：质子不像电子那样是一个点，而是一个大小有限的“物体”，由3个夸克被所谓的“胶子”束缚在一起而构成。因此，质子的电荷及磁性都分布在一定的体积之内。质子的这一性质导致氢原子能级发生某种偏移。因此，测量这种能级的偏移，就能推导出质子的电荷半径及磁荷半径。

这项研究用到的不是普通氢原子，而是μ子轰击普通氢原子后得到的μ氢。μ子的行为方式与电子很像，除了质量：μ子要比电子重200倍。因此，μ氢中的μ子要比氢原子中的电子距离原子核更近。这意味着，μ子的能级对于质子大小要敏感许多，因此能级偏转也会更加显著。

但是测量这种能级偏移对技术提出了超高的要求：μ氢极其短命，因为μ子会在大约2微秒（1微秒＝0.000 001秒）内衰变，因此在检测到μ子之后的短短几纳秒（1纳秒＝0.000 000 001秒）内，用于激发原子振荡的光脉冲就必须命中氢原子靶标。德国斯图加特大学辐射工具研究所开发的圆盘激光技术，是完成这项“不可能任务”的关键道具。

2010年，对μ氢中2S能级的偏移所作的光谱测定发表在《自然》杂志上，科学家当时测得，质子电荷半径为0.84184飞米（1飞米＝0.000 000 000 000 001米），比先前公认的数值（0.8768飞米）小了许多。这一结果在物理学界引发了一场持续至今的争论：标准物理学能否解释观测到的质子半径差异？

今天发表在《科学》上的文章，又为这场争论新添了一把火。“在μ氢的2S和2P能级之间存在6组允许的跃迁，”接受果壳网采访时，这篇文章的第一作者、瑞士苏黎士粒子物理研究所的Aldo Antognini博士解释说，“从每一组跃迁中，我们都能独立测定质子半径。”他们对另一组跃迁进行了独立测量，得到的最新结果是：质子电荷半径为0.84087(39)飞米——与2010年他们的测量结果相符，但精度上提高了1.7倍。

瑞士苏黎士粒子物理研究所的Aldo Antognini博士

此外，他们还首次通过μ氢激光光谱实验测定了质子的磁荷半径为0.87(6)飞米。这个数值倒是跟此前所有实验的测量结果保持了一致。“重要的是，我们的质子（电荷）半径数值还是跟其他数值不一致，”Antognini博士对果壳网说，“这样的差异如果得到证实，就会对物理学产生冲击，因为质子半径应该是相同的，跟你如何测量它没有关系才对。”这个问题现在被称为“质子大小难题”。

世界各地的物理学家都在努力寻求破解方法。一方面，实验学家正在重新分析过去在普通氢原子或者电子－质子散射实验中所作的测量，一些人甚至已经开始重复那些实验。而在另一方面，理论学家也提出了许多方法来解释这种差异。一些科学家用标准模型以外的物理学来解释这些差异。还有一些科学家则提出，质子的结构要比现在我们认为的更加复杂，这种复杂性只在受到“沉重”的μ子影响时才会显现。

科学家也在开发新的实验来测量质子的半径，比如PSI正在尝试μ子－质子散射实验，那里的研究团队还计划在今年进行首次μ氦原子的激光光谱实验。这些新的实验将检验理论学家提出的所有可能性。

或许，质子的“缩水”会在不久的将来，打开一扇通往新物理学的大门。

信息来源：AAAS