质子可能比之前认为的要小

诸平

The proton (red) - has a radius of 0.84 femtometers (fm). Also shown in the figure are the three quarks that make up the proton and the gluons that hold them together. Credit: Dr. Yong-Hui Lin/University of Bonn

据德国波恩大学（University of Bonn）2022年2月7日报道，质子可能比之前认为的要小（Protons are likely smaller than previously believed）。上述由波恩大学林永辉博士（Dr. Yong-Hui Lin音译）提供的图示中质子(红色)-半径为0.84飞米(fm)。图中还显示了组成质子的三个夸克以及把它们连接在一起的胶子。

几年前，一项新的测量技术表明，质子可能比自20世纪90年代以来所假设的要小。这种差异震惊了科学界;一些研究人员甚至认为粒子物理的标准模型必须改变。波恩大学和达姆施塔特工业大学(Technical University of Darmstadt)的物理学家们现在开发了一种方法，可以比以前更全面地分析更早和更近期的实验结果，这也导致了来自旧数据的更小的质子半径。因此，无论它们基于哪种测量方法，这两个值之间可能没有区别。这项研究于2022年2月3日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站发表——Yong-Hui Lin, Hans-Werner Hammer, Ulf-G. Meißner. New Insights into the Nucleon’s Electromagnetic Structure. Physical Review Letters, 2022, 128(5): 052002 – Published 3 February 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.052002. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.052002

参与此项研究的除了德国的科学家之外，还有来自格鲁吉亚第比利斯州立大学（Tbilisi State University, Georgia）的研究人员。

物质由原子组成，而原子又由电子、质子和中子组成。电子带负电荷;根据目前的知识，它们没有扩展，但类似于点。而带正电荷的质子则不同——根据目前的测量，它们的半径为0.84飞米(1 fm=10^-15 m)。

然而，直到几年前，它们还被认为是0.88 fm——这一微小的差别在专家中引起了相当大的轰动,因为这并不容易解释。一些专家甚至认为，这表明粒子物理学的标准模型是错误的，需要修改。波恩大学亥姆霍兹辐射和核物理研究所(Helmholtz Institute for Radiation and Nuclear Physics)的乌尔夫·迈斯纳(Ulf Meißner)教授解释说：“然而，我们的分析表明，新旧测量值之间的差异根本不存在。相反，旧值受到系统错误的影响，到目前为止，这个错误被严重低估了。”

在粒子宇宙中打台球（Playing billiards in the particle cosmos）

要确定质子的半径，可以用加速器中的电子束轰击质子。当电子与质子碰撞时，两者都会改变运动方向——类似于两个台球的碰撞。在物理学中，这个过程称为弹性散射。质子越大，这种碰撞发生得越频繁。因此，它的扩展可以从散射的类型和范围计算出来。

电子束的速度越高，测量结果就越精确。然而，这也增加了电子和质子碰撞时形成新粒子的风险。乌尔夫·迈斯纳教授解释道：“在高速或高能时，这种情况发生得越来越频繁。反过来，弹性散射事件变得越来越罕见。因此，为了测量质子的大小，到目前为止，人们只使用了电子能量相对较低的加速器数据。”

然而，理论上，产生其他粒子的碰撞也为质子的形状提供了重要的见解。在高电子束速度下发生的另一种现象——所谓的电子-正电子湮灭（electron-positron annihilation）——也是如此。达姆施塔特工业大学的汉斯-维尔纳·哈默（Hans-Werner Hammer）教授说:“我们已经建立了一个理论基础，利用这个理论也可以计算质子的半径。这让我们能够考虑到迄今为止被忽略的数据。”

使用这种方法，物理学家们重新分析了以前和最近的实验数据，包括那些先前建议值为0.88 fm的数据。然而，通过他们的方法，研究人员到达了0.84 fm;这个半径也是基于一种完全不同的方法,在新的测量方法中发现的。

所以质子实际上比我们在20世纪90年代和进入21世纪后假设的要小5%。与此同时，研究人员的方法也为质子及其不带电的同胞中子的精细结构提供了新的见解。所以它帮助我们更好地理解我们周围世界的结构——椅子、空气，还有夜空中的星星。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

物理学家从实验数据中提取出质子质量半径（Physicists extract proton mass radius from experimental data）

Abstract

We present a combined analysis of the electromagnetic form factors of the nucleon in the space- and timelike regions using dispersion theory. Our framework provides a consistent description of the experimental data over the full range of momentum transfer, in line with the strictures from analyticity and unitarity. The statistical uncertainties of the extracted form factors are estimated using the bootstrap method, while systematic errors are determined from variations of the spectral functions. We also perform a high-precision extraction of the nucleon radii and find good agreement with previous analyses of spacelike data alone. For the proton charge radius, we find fm, where the first error is statistical and the second one is systematic. The Zemach radius and third moment are in agreement with Lamb shift measurements and hyperfine splittings. The combined dataset of space- and timelike data disfavors a zero crossing of  in the spacelike region. Finally, we discuss the status and perspectives of modulus and phase of the form factors in the timelike region in the context of future experiments, as well as the onset of perturbative QCD.