物理學家新發現：質子實際上可能比人們長期認為的要小

幾年前，一種新的測量技術表明，質子可能比自20世紀90年代以來的假設要小。這一差異令科學界感到驚訝；一些研究人員甚至認為，粒子物理學的標準模型將不得不被改變。波恩大學和達姆施塔特工業大學的物理學家們現在已經開發出一種方法，使他們能夠比以前更全面地分析較早和較近的實驗結果。這項研究出現在《物理評論快報》上。

我們的辦公椅、我們呼吸的空氣、夜空中的星星：它們都是由原子組成的，而原子又是由電子、質子和中子組成的。電子是帶負電的；根據目前的知識，它們沒有膨脹，而是呈點狀。帶正電的質子則不同–根據目前的測量，它們的半徑是0.84飛米。

然而，直到幾年前，他們還被認為是0.88飛米–這個微小的差異在專家中引起了不小的轟動。因為它並不那麼容易解釋。一些專家甚至認為這表明粒子物理學的標準模型是錯誤的，需要加以修改。"然而，我們的分析表明，新舊測量值之間的這種差異根本不存在，"波恩大學亥姆霍茲輻射與核物理研究所的Ulf Meißner教授博士解釋說。「相反，舊的數值受到了系統誤差的影響，到目前為止被大大低估了。」

為了確定質子的半徑，人們可以在一個加速器中用電子束轟擊它。當電子與質子相撞時，兩者都會改變其運動方向–類似於兩個撞球的碰撞。在物理學中，這個過程被稱為彈性散射。質子越大，這種碰撞發生得越頻繁。因此，它的膨脹可以通過散射的類型和程度來計算。

電子束的速度越高，測量就越精確。然而，這也增加了電子和質子碰撞時形成新粒子的風險。Meißner解釋說：」在高速度或高能量下，這種情況發生得越來越頻繁，「他也是跨學科研究領域"複雜系統的數學、建模和模擬"以及"物質的構件和基本相互作用"團隊的成員。「反過來，彈性散射事件也越來越稀少。因此，對於質子尺寸的測量，人們迄今只使用電子具有相對較低能量的加速器數據。」

然而，原則上，產生其他粒子的碰撞也能為了解質子的形狀提供重要線索。在高電子束速度下發生的另一種現象也是如此–所謂的電子-正電子湮滅。達姆施塔特工業大學的Hans-Werner Hammer教授說：「我們已經開發了一個理論基礎，用這種事件也可以計算出質子半徑。這使我們能夠考慮到迄今為止被遺漏的數據。」

使用這種方法，物理學家們重新分析了來自較早的以及最近的實驗的讀數–包括那些以前建議的0.88飛米的數值。然而，用他們的方法，研究人員得出了0.84飛米的結果；這也是基於完全不同的方法的新測量中發現的半徑。

因此，質子實際上似乎比20世紀90年代和2000年代假設的要小5%左右。同時，研究人員的方法還允許對質子及其不帶電的「兄弟姐妹」–中子的精細結構有新的認識。因此，它正在幫助我們更好地了解我們周圍世界的結構。