物理学家新发现：质子实际上可能比长期想象的要小

质子（红色）的半径为0.84飞米 (fm)。图中还显示了构成质子的三个夸克和将它们结合在一起的胶子。

波恩大学和达姆施塔特工业大学的研究表明，对旧测量值的解释存在错误。

几年前，一种新的测量技术表明质子可能比自1990年代以来的假设要小。这种差异令科学界感到惊讶。一些研究人员甚至认为必须改变粒子物理学的标准模型。波恩大学和达姆施塔特技术大学的物理学家现在已经开发出一种方法，使他们能够比以前更全面地分析较旧和较新实验的结果。这也导致旧数据的质子半径更小。因此，这些值之间可能没有区别——无论它们基于哪种测量方法。

我们的办公椅、我们呼吸的空气、夜空中的星星：它们都是由原子组成的，而原子又由电子、质子和中子组成。电子带负电；根据目前的知识，它们没有膨胀，而是点状的。带正电的质子是不同的——根据目前的测量，它们的半径是0.84飞米（飞米是一米的万亿分之一）。

然而，直到几年前，它们还被认为是0.88飞米——这个微小的差异在专家中引起了不小的轰动。因为这不是那么容易解释的。一些专家甚至认为这表明粒子物理学的标准模型是错误的，需要修改。“然而，我们的分析表明，新旧测量值之间的这种差异根本不存在，”波恩大学亥姆霍兹辐射与核物理研究所的 Ulf Meißner 教授解释说。“相反，较旧的值受到系统误差的影响，迄今为止被严重低估了。”

在粒子的世界中打台球

要确定质子的半径，可以在加速器中用电子束轰击它。当电子与质子碰撞时，两者都会改变运动方向——类似于两个台球的碰撞。在物理学中，这个过程称为弹性散射。质子越大，这种碰撞发生的频率越高。因此，它的扩展可以从散射的类型和程度来计算。

电子束的速度越高，测量越精确。然而，这也增加了电子和质子碰撞时形成新粒子的风险。“在高速或高能量下，这种情况越来越频繁地发生，”Meißner解释说，他也是跨学科研究领域“复杂系统的数学、建模和模拟”以及“物质和基本相互作用的构建模块”的成员。“反过来，弹性散射事件变得越来越少。因此，对于质子大小的测量，到目前为止，人们只使用了电子能量相对较低的加速器数据。”

然而，原则上，产生其他粒子的碰撞也提供了对质子形状的重要见解。在高电子束速度下发生的另一种现象也是如此——所谓的电子-正电子湮没。我们已经建立了一个理论基础，这些事件也可以用来计算质子半径，这使我们能够考虑迄今为止被遗漏的数据。

比假设的 20 年小 5%

使用这种方法，物理学家重新分析了来自较旧和最近的实验的读数——包括以前建议值为0.88飞米的读数。然而，使用他们的方法，研究人员达到了0.84飞米；这是在基于完全不同方法的新测量中也发现的半径。

因此，质子实际上似乎比1990年代和2000年代的假设小5%。同时，研究人员的方法还可以让我们对质子及其不带电的中子的精细结构有了新的认识。所以它帮助我们更好地了解我们周围世界的结构——椅子、空气，还有夜空中的星星。