2026年6月2日——想象一下普通的氢原子。原子序数为1，是元素周期表上的第一种元素，也是已知宇宙中最简单、最丰富的元素。

每一个这样微小的原子都由原子核中的一个带正电的质子和环绕它的一个带负电的电子组成。它们共同构成了一个既简单又为人熟知的系统。这使得它成为研究构成我们所知宇宙的复杂粒子相互作用的基础研究的绝佳平台。

但在过去十年中，关于氢原子的一个关键细节一直存在争议：其核心中质子的精确半径。这个认知差距被称为“质子半径之谜”。

科罗拉多州立大学的物理研究人员通过一种极其精确的新测量方法解决了这个问题。这项发现最近发表在《物理评论快报》上。该工作进一步证实了被称为“标准模型”的基础物理学理论，该理论解释了宇宙的行为方式，同时也为进一步研究打开了大门。

当科学家先前使用电子测量氢质子的半径时，他们得到了一个答案。但当他们使用不同的、更重的粒子来复核他们的发现时，半径似乎稍微小了一些。对研究人员来说，这就像发现一所房子，根据是用老式卷尺测量还是用现代激光测量，竟然出现了两种不同的尺寸。答案本应相同，而且两种方法都同样有效。

这种差异似乎表明，先前测量质子大小的实验可能存在某种未解决的或系统性的问题。要么是他们设备的精度不够，要么是物理学家用来描述宇宙的基本规则需要更新。

科罗拉多州立大学物理学家的这项极其精确的新测量将质子半径确定为大约0.84飞米，或者说是小于一千万亿分之一米。这与此前公认的0.876飞米不同。这种微小的差异类似于测量了美国的整个长度，然后发现你在总数上偏差了一个病毒的大小。然而，这一小小的修正——几乎同时被马克斯·普朗克研究所的一个团队使用不同的测量方法独立证实——似乎最终解决了这个差异之谜。

对质子公认测量值的修正可能微不足道，但这一确认对我们理解宇宙及其运行方式具有重要意义。

领导该项目的迪伦·约斯特是科罗拉多州立大学物理系的副教授。他表示，他们严格测试的结果与标准模型的预测相符，该模型精确预测了包括电子、μ子、质子在内的粒子如何相互作用。研究结果还表明，持续的差异可能来自早期测量中的微妙问题，或者在处理基于实验数据得出的某些常数时所产生的问题。

他说：“我们的测试表明，在万亿分之一的精度水平上，关于质子大小的理论与实验精确吻合，从而排除了在这种情况下，一种新力或新粒子导致差异的可能性。那将显著改变标准模型，并且一直是研究人员在寻找的目标。不过，在这种情况下似乎并非如此。”

多年来，约斯特的团队一直致力于开发桌面光谱实验，利用激光来进行这类测量。在这个项目中，该团队在真空室中产生了一束原子氢，然后使用激光刺激它们的电子在不同能级之间跃迁。由于质子的大小微妙地影响电子在其轨道上的行为方式，研究人员可以通过精确测量电子在这些能量跃迁过程中对激光的反应来推断半径。该实验同时也是对量子电动力学的一次重要检验，该理论描述了光和物质在原子尺度上如何相互作用。

博士生瑞安·布利斯是这篇论文的第一作者。他表示，该项目的一个关键挑战是开发一种技术来详细研究这些关键的能量跃迁。

他说：“这些原子运动得非常快，并且与激光的相互作用时间不长，这可能会淹没我们正在寻找的信号。我们开发了一项新技术，同时使用两个激光场来提高我们测量的精度。”

他补充说，作为其博士论文的一部分，能够追求并实施这项技术——这是同类技术中首次用于此目的——非常有价值。

探索更复杂的原子结构

约斯特表示，团队采取的小规模项目方法提供了很大的灵活性。他们可以根据发现和新技术上的成功，快速更换设备或优先考虑不同的测量。他还强调，与大型强子对撞机等永久性大型基础设施设备相比，他们的方法在寻找质量轻、相互作用弱的粒子方面特别有用，而后者更擅长发现更重的粒子和更强的相互作用。

然而，他认为两种类型的实验对于继续推动标准模型的边界都是必需的。

他说：“这两种方法满足不同的需求。通过我们的实验，我们可以在没有大型粒子加速器的情况下发现和研究基础物理学。我们的工作就像一个检查引擎灯亮起，告诉司机他们需要调查一个潜在的问题。我们的工作可以告诉你应该关注哪里或者什么在起作用，但需要两个团队共同努力，才能全面检查和探索标准模型，寻找新的物理学。”

约斯特表示，他的团队现在将利用这个项目中的方法来研究和测量更复杂的氢（例如氘）。

他说：“我们现在可以把氢放在一边了，因为我们可以满意地看到它的行为符合预期。这使我们能够研究其他元素和相互作用，以确保它们也在按我们认为的方式运行。未来的能力总有机会让我们更加精确。但我们已准备好重新投入，继续弥合原子、分子和光学物理学领域理论与实验之间的差距。”