在测量自然的基石方面取得了突破

我在德国马克斯·普朗克量子光学研究所最近做的一项实验中，物理学家阿列克谢·格林和他的同事们离解决粒子物理学在过去十年中出现的一个更重要的难题又近了一步。谜题是这样的:通常,当你开始测量的大小,你会得到相同的答案不管你用什么来衡量——饮料罐的直径是否你测量它用卷尺或卡尺(当然这些正确校准,提供)。如果根据设备的不同，你测量的结果不同，那一定是出了什么问题，但这正是在多次测量质子空间范围的尝试中所发生的情况。潜在的危险是我们对现实的积木的理解:不同的测量可能预示着新的力或粒子的存在。

亚原子粒子具有可测量的“尺寸”意味着什么?数学上，基本粒子被理想化为点粒子，也就是说，就我们所知，它们根本没有意义上可识别的空间范围或子结构。的确，所有的基本粒子都与一个量子力学波包有关，它的空间范围取决于粒子的能量。但是这些乐高积木的基本部分是你可以，在普朗克尺度下，在连续体几何概念开始失去意义之前，原则上，你可以把它们的波包塞进你想要的小区域。基本粒子组织成类似于微型周期表的东西——由各种携带力的粒子组成，如光子和胶子(强核力的携带粒子)，还有三代夸克、轻子和产生质量的希格斯玻色子，它们可以以不同的组合堆叠在一起，形成一个所谓的复合粒子动物园。

这种差异可能只是统计学上的偶然现象，概率不到一万亿分之一。

也许其中最熟悉、最普遍的是质子。每种元素中至少有一种元素，它由两个上夸克和一个下夸克组成，它们在一个紧密结合的轨道上相互跳舞，通过交换胶子来维持。这种交换过程能量巨大，以至于质子的大部分质量（或者说构成我们的大部分物质）都来自这些胶子中所含的能量——正如爱因斯坦告诉我们的那样，这是一种结果E等于mc²．

所以问质子的“大小”是没有意义的。Grinin团队的研究强调了这样一个事实:定义这个概念仍然是一件相当棘手的事情。而且，正如我们将看到的，他们的结果有助于澄清为什么研究人员之前使用的其他测量方法不一致的谜团。

物理学家可以从“电荷半径”(夸克轨道的平均空间范围)合理地推断出质子的大小。电子和介子(另一种基本粒子)对这个量的探测方式略有不同，当你探测它们的轨道构型时，电子是质子原子氢原子，介子是介子氢原子。因为介子比电子重约200倍，它们能量最低的轨道构型比氢原子中的电子更紧密地围绕着质子。因此，与普通氢原子相比，介子氢原子中不同轨道的能量差异对质子的大小更为敏感，也更为“高”。

换句话说,类似于把吉他弦在给定的张力产生更高的注意是我们担心它开放,或在1/200th开放长度,典型的辐射的频率转换μ介子氢的原子氢约200倍。这些频率与Rydberg常数有关——类似于吉他弦的张力——这似乎是潜在的更重要的质子大小不确定性来源之一。轨道能级取决于这个常数和质子的电荷半径。

几十年来，质子大小的测量没有冲突。不同的方法，比如通过观察氢原子内的电子轨道来测量半径，或者通过将高能电子从未束缚的质子中散射出来来测量半径，都收敛到0.875(误差为0.006)飞米。这略小于一毫米的万亿分之一。2010年，一篇题为《质子的大小》的论文发表后，这种趋同现象被打破了。正如研究人员报告的那样，测量涉及到介子氢的轨道构型，返回值为0.842，误差为0.001飞米。这看起来并没有太大的区别，但真正重要的是伴随的误差条。每个人的测量结果都是如此精确，以至于他们的分歧超过了7个标准偏差——这种差异可能是统计上的偶然现象的概率不到一万亿分之一。

如果在实验中使用的设备和它们的校准都经过仔细检查，则只有两种可能的异常结果。研究人员为了从实验上推断质子电荷半径而假设的一些物理常数的组合，并没有我们想象的那么准确，或者与电子相比，介子与质子相互作用的方式有一些不同，这使得粒子物理学不完整。

如果后一种可能性得到证实，当然，至少可以说，会在理论物理学家中引起一阵兴奋，因为它可能意味着新的力和粒子的存在。它不仅会重塑我们对宇宙的理解，还会让我们回到物理学家发现粒子的时代(比如μ介子本身)，使用可以放在桌面的设备。

在过去的几年里，各种各样的团队都在试图通过观察氢原子的不同轨道跃迁来找到问题的根源，这些跃迁对里德伯常数和电荷半径的不同组合很敏感。一个2019测量加拿大约克大学的一组研究人员观察了一个与该常数无关的特定轨道转变，发现其值为0.833±0.010飞米，与μ介子氢中获得的较小值一致。

格林的团队更进一步。他们使用了一种叫做频率梳谱的技术。它涉及到激光脉冲，它是等距频率的叠加——如果你愿意的话，它是频率空间的标尺——允许他们观察对质子大小和里德伯常数的两种不同组合敏感的氢原子的两种不同轨道跃迁。这使得他们能够以前所未有的准确性来确定两者。该技术将这些跃迁发出的光频率的观测不确定性降低到大约10万亿分之一——以任何标准衡量，这都是惊人的精度。

格林宁的团队不仅发现质子电荷半径的值与μ介子氢的值一致，还推断出里德堡常数的更精确值。这在一定程度上解释了在氢原子的其他测量中发现的差异（该测量值假定不太准确）。

由此看来，Grinin的研究小组在氢原子中获得的质子电荷半径的实验值，正收敛于其他研究人员最初在介子氢中获得的较小的质子电荷半径值。更小的值现在甚至被采用官方的价值国家标准与技术研究所CODATA推荐物理常数列表-核和原子化学家和物理学家的官方年鉴。

尽管这种基于不断改进实验技术的融合并没有带来一些人所希望的新物理学，即使是最沮丧的理论物理学家也可以承认，实验的艺术性似乎使问题更接近结论。仍未解决的是，为什么在氢原子中依靠不同的光谱方法进行测量，会返回不同的质子电荷半径值。这个谜，以及与之相伴而来的粒子物理学家渺茫的希望，暂时仍将存在。

这对一个由加拿大周界研究所的Cliff Burgess领导的理论物理学家团队来说，是足够的动力，他们系统地对原子光谱学中所有可能的理论不确定性来源进行分类系列的论文．通过分离出新力和粒子可能留下泄密信号的方式，他们已经坚定地向实验主义者发起了挑战。未来的实验，一如既往，将是这个问题的最终裁决者。

苏博德·帕蒂尔是莱顿大学洛伦兹理论物理研究所的助理教授。他偶尔会发推文@_subodhpatil。