质子到底有多大

苗千

物理学家们正在逐渐陷入一种绝望的情绪之中。

2016年8月3日至10日，在美国芝加哥举办的国际高能物理学大会（ICHEP）上，向全世界发布的结果基本上可以总结为：什么都没找到。深埋地下的暗物质探测器没有发现暗物质粒子（暗物质模型或许需要修改），欧洲核子中心的大型重子对撞机没有发现各种理论预测的奇异粒子（对于超对称理论的限制进一步加强），假想中的磁单极子也没有出现。而在2015年让无数粒子物理学家激动得彻夜难眠的一种被认为可能“超越标准模型”、会衰变为两个高能光子的假想中的粒子，经过物理学家认真的检查之后被证明也只是一场误会，这个假想中的“魔鬼粒子”并不存在，因此之前大半年的时间里众多物理学家针对这种假想中的粒子发表的500多篇论文自然也就变得没有任何意义了。

物理学家们正处于前所未有的困惑之中。几年以来，被寄予厚望的大型重子对撞机做出的唯一重大发现就是找到了标准模型所预测的中规中矩的希格斯玻色子，没有发现与之相似的粒子，也没有发现空间中更高的维度。在希格斯玻色子之前，粒子物理学上一次做出重大发现还是在1995年发现顶夸克，而这种粒子早在1973年就被理论预测存在了。

物理学家们追求自然的对称性，追求数学上的美感，甚至执着地追求某种“自然性”（naturalness），却无所收获，各种理论一一落空，物理学家们不得不承认他们可能犯了错误，他们所追求的自然性并不被自然所认可。有物理学家形容目前高能物理学领域正处于“噩梦般的情境”，被困在标准模型中无从突破，可能比不发现希格斯玻色子更糟。

转机或许会在人们此前没有想到的地方出现。2016年8月12日，德国马克斯·普朗克研究所量子光学研究中心的物理学家伦道夫·波尔（Randolf Pohl）与同事们共同在《科学》（Science）杂志上发表论文《μ介子氘的激光光谱》（Laser Spectroscopy of Muonic Deuterium）。这篇题目平淡无奇的论文发表后一个多星期的时间里已经在物理学界引发了各种讨论，原因就在于它重新提起一个物理学老问题：质子到底有多大？

现在人们普遍认为电子是一个没有内部结构的点状粒子，但是质子不同，质子是由夸克和胶子所组成的内部充满相互作用的粒子，它具有内部结构和大小。那么质子到底有多大？目前国际上使用的质子半径数值为0.8751（61）飞米（1飞米是10-15米），这个数字是此前物理学家通过电子散射和原子光谱两种不同的方法分别得出的，两种不同的方法得出了非常相近的结果，因此被全世界的物理学家普遍认可。

波尔则一直试图通过另一种方式来更精确地测量质子的大小，与通常采用电子不同，他选择μ介子与质子相结合。μ介子相当于电子的表亲，它和电子一样也带一个负电荷，但质量是电子的207倍。根据描述原子核内部相互作用的量子色动力学（QED）的描述，带正电的质子与电子或是μ介子的相互作用应该并无不同，但是因为μ介子的质量更大，在不同的能级运动时与质子的距离更近，因此在理论上测量的精度应该更高。

测量微乎其微的质子，难度可想而知。波尔从1998年开始筹划，直到10多年后才成功进行实验。2010年7月8日，他在《自然》（Nature）杂志发表论文《质子的大小》（The Size of the Proton），探讨利用μ介子代替电子测量质子大小的实验。此后他不断改进实验手段，2016年他在《科学》杂志发表的论文，又一次报告了他的最新测量结果：与他之前的实验结果相似，比目前国际上普遍接受的数字小4%——谜团又加深了。

波尔利用一束激光射向μ介子氘（由一个质子和一个中子组成原子核，外部围绕着μ介子）蒸气，大约有1%的μ介子有可能受到激光的激发跃迁到更高能级，处于激发态的μ介子可能由此释放出X射线，实验人员通过测量释放的X射线进而推导出质子的半径。波尔测量的质子半径为0.84087（39）飞米，与标准值看上去相差无几，却引发了一个深刻的问题：为什么利用μ介子和利用电子测量质子半径，会出现两个不同的结果？固然有可能是实验仪器的问题。波尔自己也承认，对于这个尺度的测量来说，更换任何仪器都可能会出现较大的偏差。另一方面，对于这样一个筹划已久、进行过多次的实验，得出的结果始终与标准值有较大偏差，很多人相信其中还有更深刻的原因。

波尔怀疑，两个实验数值的偏差是由人类对于里德伯常数测量的不精确造成的，这个常数用来描述处于激发态的原子谱线，对它测量的不准确可能导致质子半径计算的误差。但目前已经有物理学家开始把突破标准模型的希望寄托在质子大小的测量上。有人认为，对于质子半径的测量之所以有不同，在于质子与电子和μ介子两者的相互作用并不完全相同。在质子和μ介子之间，可能还存在着一种尚不为人所了解的相互作用，也就是“第五种力”，正是这种相互作用的存在导致了实验结果的偏差。从2010年以来，已经有数百篇论文描述这种神秘的相互作用——如果它确实存在的话。

更多的实验即将进行。有的实验计划同时利用电子和μ介子进行测量，观察两者的结果是否还存在着4%的偏差，有的实验计划绕过里德伯常数进行测量，而波尔的研究小组则计划利用μ介子氦做进一步实验——氦原子核中存在着两个质子，因此，如果μ介子与质子之间存在着某种神秘的相互作用，两个质子参与的效果会更加明显。

实验还会继续，现在把物理学研究突破标准模型的目标寄托在质子半径的测量实验上未免太过乐观，不过物理学家们的心情可以理解。几十年来，基础物理学没有任何真正的突破，各种新奇的理论假设层出不穷，却纷纷被证明没有现实依据。目前物理学家的一切活动，乃至思维框架，仍被限制在100年前物理学革命时期所限定的量子力学和相对论框架之内，真正的突破或许恰恰来自于人们始料未及处。

（本文写作参考了《物理世界》杂志和《科学》杂志的报道）