持續16年的質子半徑之謎 超高精度測量破解

【大紀元2026年04月21日訊】（大紀元記者薛止墨編譯報導）氫原子的簡單結構，使其成為研究原子結構與相互作用的理想模型。然而，儘管最簡單的氫原子僅由一個質子和一個電子組成，物理學家卻一直難以精確確定質子的電荷半徑。一項於3月23日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters，PRL，也譯作物理報導期刊、物理評論快訊）的新研究，提出了一種測量方法，有助於解決過去的一些數據差異。

質子半徑之謎

為了更深入地理解宇宙中最重要的基本構成單元之一，數個研究團隊致力於利用氫光譜學測量質子的電荷半徑——這項參數反映了質子電荷在空間中的分布（註：在核物理中，質子並非一個邊界清晰的球體，其「半徑」是通過空間電荷密度的二階矩來定義的）。一些研究團隊使用普通氫原子進行實驗，另一些則採用一種稱為「μ子氫」的氫原子形式。「μ子氫」是一種奇異的氫原子，其結構為帶負電的μ子與質子結合，而非電子與質子結合。

從理論上講，普通氫和「μ子氫」中的質子應具有相同的質子電荷半徑。然而，一些實驗結果顯示，針對「μ子氫」電荷半徑的精密測量（與普通氫的測量值大約是0.88飛米）存在差異，其測量值較小（大約是0.84飛米）。這種差異被稱為「質子半徑之謎」，自2010年首項高精度「μ子氫」光譜實驗結果發表以來，便一直困擾著物理學界。

氫原子的超高精度能級躍遷測量

為了更精確地測量質子電荷半徑，參與這項新研究的團隊利用先進的雷射光譜技術，並藉助美國國家標準與技術研究院（NIST）的銫束鐘進行頻率校準，對氫原子內某些能級躍遷的頻率進行了極其精確的測量。這些能級躍遷會受到質子電荷半徑的影響。因此，研究團隊得以透過這些頻率測量結果，計算出更精確的質子電荷半徑值，同時也獲得了芮得柏頻率（Rydberg frequency）——氫原子被電離（從基態移除電子）所需光子的頻率——的精確數值，這是描述原子電磁光譜的重要參數。

為此，他們使用了低溫的氫原子束，將原子激發至較高的能級，從而能透過光譜學測量其變化。其中有些能級躍遷在過去的實驗中從未被測量過。他們克服了多種系統性誤差，例如交流與直流「史塔克位移」（Stark shifts，註：原子和分子光譜譜線在外加電場中發生的分裂和位移量）、「都卜勒效應」（Doppler shift，註：是指波源和觀察者有相對運動時，觀察者接受到波的頻率與波源發出的頻率並不相同的現象），以及「黑體輻射效應」（blackbody radiation effect，註：指的是物體因自身溫度而發出的電磁輻射，這些輻射會影響原子或分子的能階，使精密光譜測量產生微小偏移）。

研究團隊測得的質子電荷半徑為0.8433飛米，芮得柏頻率為3,289,841,960,252.9千赫，這兩項數值都與國際組織CODATA最新公布的標準值（即全球公認、最精確的物理常數官方版本）高度吻合。這些結果也與以「μ子氫」實驗所測量得到的較小質子半徑一致，包括2010年的首項（高精度「μ子氫」光譜實驗）的結果。該結果相較於最初的質子電荷半徑值，差異約為4%。

驗證新物理學

儘管仍存在一些不確定性——特別是與過去採用不同能級躍遷進行的測量結果之間存在微小差異——但這些結果使科學界越來越傾向認為質子的真實電荷半徑應該是較小的那個（約0.84飛米）。

這些經過改進的質子電荷半徑與芮得柏常數數值，有助於深化對原子結構與基本常數的理解，並可能對精密測量、量子技術以及新物理學的驗證產生影響。研究作者指出，這些結果或許能延伸應用於氘，或用於發現新粒子。◇

（本文參考了phys.org的報導）

責任編輯：李琳#