十年前，幾乎任何核物理學家都可以告訴你質子的大致尺寸。但是在2010年，原子物理學家推出了一種承諾更精確測量的新方法。新數量比預期短4%，引發了核和原子物理界的爭奪，以確定這種不一致的結果是由于新的物理因素還是從實驗中提取數量的問題。

現在，四位核物理學家，兩位實驗家和兩位理論家認為他們已經利用實驗核物理數據和先進的物理模型解決了這種差異，以獲得質子大小的新值。結果發表于4月的Physical Review C.

把標尺帶到質子上

所有方法都同意的一點是質子很小。測量核粒子中電荷分布大小的質子的電荷半徑略小于飛秒計，單個飛秒計記錄的電壓為千分之一千分之一。

換句話說，如果你拿一根米棒并將它的長度分成十億個相等的碎片，然后只取一個這樣的碎片并將其長度分成另外一百萬個，這些百萬個碎片中的每一個的長度將是一個飛秒計。

因為它太小，所以不能直接測量質子的電荷半徑。相反，核物理學家和原子物理學家使用復雜的方法來確定質子大小。

“基本上，它是關于質子與電磁場的相互作用，這是所謂質子的電磁結構或質子的形狀因子的一部分，”能源部托馬斯·杰斐遜國家公司的科學家克里斯蒂安·韋斯解釋說。理論和計算物理中心的加速器設施。“你所測量的是質子電荷空間分布的大小。”

兩個公司，三個人群

大約30年前，核和原子物理學家提出了兩種不同的方法來確定這種電荷半徑。

核物理學家通過電子散射進行實驗，其中電子向質子投擲，質子的電荷半徑由電子從質子反彈后的路徑變化決定。

“在某種意義上，電子從那么輕柔地散開了那個質子，”韋斯說。

原子物理學家也使用電子來測量質子的半徑。他們使用光譜學觀察電子在繞核小核運動時的能級，例如氫(帶有一個質子)或氘(帶質子和中子)。

使用這兩種不同的方法，確定了大約0.88飛秒的半徑作為世界值。

然后，在2010年，一個原子物理研究小組發表了令人震驚的消息。在對原子物理學方法的一種扭曲中，研究小組測量了實驗室制造的氫原子周圍軌道中電子的能級，這些氫原子用μ子取代了軌道電子。雖然μ子是與電子相同的粒子類，但它具有電子質量的200倍，因此軌道離質子更近。這種接近意味著質子的電荷半徑對其軌道有更大的影響。

新的，更精確的方法產生了0.84飛秒的測量值，或比世界值小約4%。

新的結果引發了大多數物理學家認為已經解決的價值活動的狂熱。計劃進一步的電子散射實驗，進行額外的氫和聲子氫光譜測量，并重新檢查原子和核理論的線索。

物理學家對峙

在杰斐遜實驗室，新的努力激發了對用于建立世界價值的實驗的回顧和核理論的回顧，以便更精確地檢查數據或預測結果的價值。一個由四名核物理學家組成的團隊聚集在一起研究Physical Review C出版物背后的科學。

他們首先解決了實驗核物理學家關于電子散射數據的一個問題：如何從實驗數據中獲得質子半徑的數量。

“從這些電子散射數據中提取質子的半徑一直存在挑戰，因為實際的散射實驗需要從質子中進行一些有限的動量轉移，”Weiss解釋說。“你感興趣的數字是質子在零動量轉移時的反應，所以這是不能直接獲取的東西。”

相反，核物理學家分析他們從最低動量轉移的實驗中獲得的數據，然后使用一個程序推斷為零。然而，關于動量轉移仍然相關以及應該如何進行推斷的問題仍然存在爭議。

該團隊的兩名成員是實驗主義者：杰斐遜實驗室的科學家Douglas Higinbotham和阿貢國家實驗室的高級研究員葉志紅。他們通過考慮各種動量轉移的預分析世界數據，解決了挑戰的實驗方面。

他們不是從數據中推斷得到一個值，而是在整個測量動量轉移范圍內繪制數據，同時考慮到質子的電荷半徑可以是許多可能值中的任何一個。

“我們只是在我們的擬合中修正半徑，并且對于每個合理的半徑值重復分析很多次，”Higinbotham說。“然后去找理論家并要求他們為這些半徑生成理論曲線，這樣我們就可以比較并看看是否有協議。”

這個由四人組成的團隊的另外兩名成員是理論家：Weiss和JoséManuelAlarcón，他是馬德里康普頓斯大學的研究教授。他們共同努力收緊用于分析問題的理論方法。

“我們使用一種稱為有效場理論的特殊理論方法來建立質子結構的模型，以了解它在低動量傳遞時如何響應電磁散射，”Weiss解釋說。“該理論將質子的相關結構濃縮為幾個數字。它允許您預測質子在有限動量轉移時對電子散射的響應，以及它與您想要提取的電荷半徑的關系。”

當實驗主義者和理論家們比較他們的工作時，他們發現它收斂于質子半徑的新值，如動畫中所示。

“絕對美麗和引人注目的是，當你看到是否存在全局擬合和理論計算一致的半徑時，有一個。這是.845飛秒，”Higinbotham說。“這與muonic半徑結果奇怪地一致，而不是之前的許多電子散射提取結果。”

新物理學的窗口

解決這種差異的任務不是空閑的好奇心 - 這個數量的價值具有深遠的影響。例如，更精確的結果可能揭示核和粒子物理學的未知領域。

“它可以成為新物理學的窗口。如果我們無法調和質子半徑的不同測量值，也許是因為我們理解的新物理學是我們不理解的，或者我們理論上沒有。這就是原因之一為什么這個質子半徑如此重要，“Alarcón解釋道。

當被問及他們是否認為這是這個數量的最終決定時，所有四位研究人員都表示反對。

“科學是一個不斷完善思想和方法的過程，其中我們目前的理解只是我們進行更準確的理論和實驗的一個階段，”韋斯說。

目前，他們指出了幾項最近的實驗研究，這些實驗研究使用更新的技術來測量更高精度的值，包括2016年在杰斐遜實驗室的實驗廳B中進行電子散射數據的PRad實驗。它以其目標命名：永遠- 更精確地測量質子的半徑。

“PRad的結果將在今年結束。看看新結果是否能證實我們的科學分析將會很有趣，”Ye說。