撰文 | 彭潮（前美国杜克大学博士生，现于美国阿贡国家实验室任博士后研究员）

　　叶志鸿（前美国杜克大学博士后研究员，现于佳能公司任探测器科学家）

　　质子究竟有多大？十多年前，测量质子电荷半径的两种方法——光谱学法与散射法给出了基本一致的测量结果，0.88飞米（fm，1飞米=10-15米）。然而在2010年，用μ子-氢原子光谱法测得的质子电荷半径却给出了0.84飞米的结果，质子变小了！多年来，科学家一直努力探寻这个不同寻常的“质子电荷半径之谜”。

　　今年9月，加拿大约克大学的研究团队发表于 Science 的一篇论文报道了通过氢原子光谱法测得的更小的质子电荷半径——0.833飞米[1]。到11月，PRad实验合作组在发表于Nature 的文章中宣布他们在美国托马斯·杰斐逊国家实验室（Thomas Jefferson Laboratory）完成的电子-质子散射实验中测得最新的质子电荷半径，结果为0.831飞米[2]。

　　那么，质子电荷半径之谜真的解决了吗？《返朴》特邀上述 Nature 文章的两位作者来讲述质子半径之谜的探索。

　　我们对质子了解多少？

　　自1917年卢瑟福（Ernest Rutherford）通过氮原子与α粒子的核反应发现质子存在的证据以来，时间已超过了 100年。伴随着这百余年物理理论与实验方法的发展，我们对质子的认知也不断改变。1933 年斯特恩（Otto Stern）测量质子磁矩后发现，质子的结果不符合点状粒子的预期，并且他初次假设质子应该具有内部结构。这个假设在20世纪50年代被霍夫斯坦德（Robert Hofstadter）所带领的电子-质子弹性散射截面的测量实验直接证实，在接下来的一系列散射实验中，物理学家进一步发现，质子应该是由更多的点状粒子所组成。

　　现代的物理图景常将质子描述为一个充满了夸克、反夸克与胶子的包。作为自然界最广泛存在、并且最为稳定的量子色动力学（QCD）束缚态，关于质子的研究对理解强相互作用力至关重要。但随着对质子内部结构认知的深入，越来越多的谜题也伴随而来。例如，实验表明质子自旋只有大约30% 源自于价夸克[编注：价夸克（valence quark）是指决定强子的量子数的夸克和反夸克。因为任何一个强子（包括重子和介子）都包含由夸克、反夸克和胶子组成的无穷多的虚粒子之“海”，但这些虚粒子并不影响其量子数。] 而更多部分来源于夸克的轨道角动量和胶子。又例如价夸克的质量之和远低于质子质量，其绝大部分的质量应该来自于胶子，但我们对此缺乏更系统的理解。而最新的谜题则是关于质子的电荷半径。