期待已久的实验结果表明，质子比先前接受的值小约5％。这一发现帮助促使人们重新定义了粒子的官方尺寸，并且似乎预示着“质子半径难题”的终结。自2010年以来，该难题就一直困扰着物理学家。

结果发表在11月6日的《自然》杂志上，该粒子的半径为0.831飞米。自去年9月以来，专家们就已经知道了这种测量方法，以及使用另一种方法进行的并发测量，该方法已于9月在《科学》杂志上发表。研究人员说，这项发现导致科学技术数据委员会（CODATA）记录了自然界的基本常数的最新数据，该委员会于2018年底修订了其手册。华沙大学物理学家，主持CODATA任务组。尽管一些研究人员仍持谨慎态度，但他认为最新的论文“绝对解决了这个难题”。

物理学家使用两种主要技术来测量质子的大小。一个取决于电子如何绕原子核运动。由于一些电子轨道穿过原子核中的质子，因此质子的大小会影响电子与原子核结合的强度。因此，精确测量各种电子能级之间的差异（一种称为光谱学的技术）提供了一种估算质子半径的方法。第二种技术涉及用粒子束撞击原子并观察这些粒子如何从核中散射。

大约十年前，光谱学和散射实验似乎都集中在0.8768飞米（百万分之一毫米的百万分之一）的质子半径上。

但是在2010年，光谱学的新变化使这种田园共识产生了不确定性。在瑞士维利根（Villigen）的PaulScherrer研究所（PSI），物理学家通过用μ子取代电子来产生异乎寻常的氢原子。μ子是类似于电子的基本粒子，但质量要大200倍。由于介子在质子内部花费的时间更长，因此它们的能级受到的影响比电子大得多。这意味着质子半径的μ子测量应比使用普通氢进行的测量精确数百万倍。研究小组测得的质子半径为0.84184飞米。

RandolfPohl领导了鼠类氢的测量，目前在德国美因兹的约翰内斯古腾堡大学就读，他与其他证实了该值的鼠类实验进行了合作。有一阵子，研究人员认为，这种差异揭示了电子和介子的行为以前未知的差异，这可能会扰乱电磁现象的既定量子理论。

然而，最近，使用普通氢进行的改进光谱实验发现了收缩的质子，这表明介子毕竟不是那么特别。物理学革命的前景开始褪色。这些努力最终以《科学》论文2告终。在花费了八年的时间完善光谱技术之后，这项工作的团队发现了半径为0.833飞米–与muon实验的值一致。

但是，巴黎索邦大学进行的更为传统的光谱实验仍然不同意这一结果。而且没有人能解释为什么散射技术指向更大的质子。现在，第一次散射实验也发现了一个较小的质子。

最新的称为PRad的实验在弗吉尼亚州纽波特纽斯的托马斯·杰斐逊国家加速器设施中使用了加速器。PRad向氢分子发射一束电子，并测量一些电子的偏转方式。先前的散射实验使用了高能电子束，该束对质子半径的敏感性有限，然后外推到较低的电子能量来确定半径。这意味着他们必须做出可能会扭曲最终结果的理论假设。但是PRad使用的较低能量可以解决该问题。

为了进一步提高精度，PRad将其氢分子直接注入携带电子束的真空管中，而不是像许多先前的实验一样将其保留在金属容器中。这意味着没有电子撞击金属并混淆测量结果。此外，研究小组同时测量了束流如何不仅散射出氢的质子，还散射出了电子。比较这两种类型的散射意味着可以消除另一个主要的误差源-氢密度的波动-这是Pohl所说的“非常聪明”的技术。

PRad的发言人，格林斯伯勒的北卡罗莱纳州A＆T州立大学的粒子与核物理学家AshotGasparian认为，他仍然可以升级他的实验以进一步提高其精度。

但是，剑桥麻省理工学院的物理学家扬·伯瑙尔（JanBernauer）领导了较早的散射测量，发现了较大的质子，但PRad的结果并不完全使人信服。“我认为这个难题尚未完全解决，但是我们取得了一些重大进展。”他说，正在进行的实验，包括从PSI开始的一项实验，可能会一劳永逸地解决这一难题。

理论家一直在疯狂地提出理论来解释异常的介子，因此，传奇的结论将使许多物理学家感到忧郁。波尔说：“我不认为质子半径的差异可能是由于一些新的物理学原因而留下的希望。”但是，他补充说，旨在将精度降低另一个数量级的实验可能仍会发现与既定理论的偏差很小。“所有这些想法不会仅仅因为测量结果一致而消失。”

doi：10.1038/d41586-019-03432-4