2026年3月11日——德国加兴马克斯·普朗克量子光学研究所（MPQ）与美因茨约翰内斯·古腾堡大学物理研究所Randolf Pohl教授合作，成功完成了一项氢原子实验，将粒子物理标准模型的检验精度推进至小数点后13位。这是迄今最精确的氢原子测量结果，使研究人员能够验证氢原子相关理论预测并解决长期存在的“质子半径之谜”——该谜团源于两类氢原子的测量结果显示质子半径存在差异。相关研究成果近期发表于《自然》期刊。

氢原子能级测量新基准

粒子物理标准模型通过基本粒子与相互作用力描述微观世界，其中量子电动力学（QED）是重要理论基础，阐释光与物质的本质相互作用。“氢原子结构相对简单，非常适合理论计算，这使其成为检验QED及标准模型的理想体系，”Pohl教授解释道。该研究团队采用高精度激光光谱技术分析氢原子能级结构，通过精确测定两个能级间的跃迁频率（0.7万亿分之一的偏差），为标准模型提供了迄今最严格的实验验证之一。“这项测量的精度堪比电子反常磁矩——当前验证标准模型的黄金标准，”Pohl指出。

如此高的精度使得研究人员首次在普通氢原子中观测到标准模型预测的细微效应。“我们成功探测到由强子这类复杂粒子相互作用产生的微小但极具研究价值的贡献，”论文第一作者、MPQ的Lothar Maisenbacher博士表示。合作者Vitaly Wirthl博士补充道：“在跃迁频率的影响因素中，我们首次发现电子氢中μ子的作用。理论上μ子-反μ子对会产生影响测量精度的真空极化效应。”

破解旧谜题

除验证标准模型外，该研究还解决了μ子氢与普通氢的测量差异问题。由Pohl教授主导的早期μ子氢实验（用质量是电子207倍但寿命仅2微秒的μ子取代电子）曾测得不同的质子半径。新数据首次证实两类氢原子具有相同的质子半径（0.8406飞米），但早期差异的产生机制仍有待阐明。

美因茨的专业贡献

本次实验由MPQ主导（Pohl教授2017年任职美因茨前曾在此工作），自2011年开始筹备，2019年完成最终测量并进行了大量干扰效应量化分析。作为美因茨大学PRISMA++卓越集群及“强子与原子核探索工具”合作研究中心成员，Pohl教授课题组正致力于开发可测量氚（原子核含两个中子的氢同位素）的新型装置，持续拓展氢原子精密测量研究。