解決質子半徑之謎_風聞

撰文 | Edwin Cartlidge，意大利科學作家

翻譯 | 唐夢娜（中科院理論物理研究所2019級博士研究生）、董相坤（中科院理論物理研究所2020級博士研究生）、郭奉坤（中科院理論物理研究所研究員）

譯者按

質子半徑之謎的發現是近些年粒子物理學界的一個重大事件，在社會上也引起了廣泛的關注。這篇文章生動詳細地介紹了質子半徑之謎的前世今生。為方便閲讀，在此就相關背景知識向讀者作簡要介紹。

正文

着眼於大獎：CREMA 的 Aldo Antognini 在 Paul Scherrer 研究所的激光實驗室。（圖源：PSI）

困惑時期

CREMA 和之前的測量結果之間令人驚奇的差異被稱為“質子半徑之謎”，因為它涉及兩個相互矛盾但都很有根據的結果。一方面， CODATA 值是根據來自二十多個實驗（使用電子散射和氫光譜兩種方法）的數據計算得出的。另一方面， CREMA 的結果是單一的、非常精確的光譜測量，在 2010 年結果發表之前及之後都沒有被發現存在什麼明顯缺陷 (Nature 466 213)。

阿姆斯特丹自由大學 (Vrije Universiteit) 的 Wim Ubachs 不是 CREMA 的成員，他承認對這一“離奇事件”感到困惑，但強調“對該領域的物理學家表示高度尊重，並不想懷疑實驗中存在任何不當行為或數據操縱”。Pohl 本人則表示，儘管他無法確定罪魁禍首，但一定是早期工作中的系統誤差出了問題。“很奇怪，這麼多實驗竟然以同樣的方式出錯，” 他説。

然而，其他人則認為其中的緣故可能並不像人們所説的那樣。一些核物理學家甚至對在 CREMA 出現之前沒有研究人員認為質子的半徑更小的説法提出異議。其中包括德國波恩大學的 Ulf Meißner，他説他在 1990 年代中期就開始論證質子半徑應該更小。“（我們的結果）是有一個明顯的差異，”他回憶道，“但是不知出於什麼原因，CODATA 總是選擇更高的值。”

事實上，這段故事提出了關於應該如何確定基本常數的值以及 CODATA 應該扮演什麼角色的問題。對於 Ulf Meißner 來説，這些決策並不透明而且過多地依賴一些個人的偏好。他説：“這更像是心理學而不是物理學。”

縮小差距

CODATA 由國際科學理事會於 1966 年成立，旨在梳理和保存世界各地科學家得到的越來越多的數據。它把確定自然界最基本參數（如普朗克常數、電子質量、引力常數等）的數值這項精細任務委託給基本常數任務組。該小組由來自世界各地的 15 名左右的科學家組成，他們通常每四年一次，使用最小二乘法來擬合這些值，以期儘可能地接近已有的實驗和理論結果。

決策，決策

在決定如何處理有衝突的數據時，CODATA 任務組旨在保持中立。美國國家標準與技術研究所的物理學家 Peter Mohr 在1999年至2007年期間擔任該小組的主席，現在仍然是該小組的成員，他解釋説，CODATA 綜合所有“單獨可信”的結果然後取平均。“（它）並不能決定特定的數據是對還是錯，”他説，“這需要超人的力量。”

Thomas 認為任務組將大家的注意力吸引到這個難題上，而不是簡單地選擇最精確的測量值並沒有錯。（事實上，Pohl 認為除了光譜學家之外“沒有人關心”質子半徑的確切值。）他還認為隨之而來的研究經費的增加是科學過程中必要和健康的一部分。“只有當科學動機和戰略動機一致時，他們 （科學家）才會對某個結果採取特定立場，” Thomas 説。

黑箱

任務組在它 2014 年的報告中提到了這項以及另外兩項得到較小質子半徑的研究，但是基於 Bernauer 和 Distler 的批判性分析，任務組並未採用他們的結果。Bernauer 和 Distler 稱這些研究在統計誤差的分析中存在“易犯的錯誤和概念誤解”，具體到 Higinbotham 等人的研究，則認為他們誤解了用來證明低階外推合理的檢驗方法。

Higinbotham 則持不同看法。他堅信利用高階多項式進行外推在數學上沒有任何意義，並且補充道，實際上自上世紀七十年代以來，核物理學家已經用色散關係得到了一個較小的質子半徑。他不無抱怨地繼續説，然而沒有任何來自小半徑陣營的人在 2014 年得到 CODATA 的採訪。“當你覺得不會有機會來討論自己的觀點時，這很艱難。”

相比於任務組的做法，Meißner 更傾向於粒子物理中所採用的方法——國際粒子數據組（PDG）列出所有有衝突的常數值，它們的取捨決定於使用者自己的觀點。他認為，CODATA 的決策方式更像一個取捨數據取決於個人選擇而非客觀標準的“黑箱”。其實，Mohr 不得不“承認”他“不記得”為什麼任務組如此倚重 Sick 的分析了（在它眾多的報告中都沒有給出相關解釋）。

至於採用 Bernauer 和 Distler 2014 年的批判性分析，Mohr 説任務組大概是“被他們的論據説服了”。但是為什麼對於這個決定沒有説明呢？Mohr 回應道，“我猜這可能就是個政治問題了。很顯然，我們信任他們，但如果要深究為什麼我們信任他們，我給不了具體的解釋。”

圖片源自 PSI

散射實驗的疑問

結束遊戲

對散射數據採取不同的處理方法是在 CREMA 實驗之前就已經引向一個更小的質子半徑，還是至少會增加較大質子半徑的誤差，這説不清楚。Distler 説，簡單來看，就是數據的精度不足以清楚地區分這兩種不同的質子尺寸。然而，Meißner 認為，2010 年 CREMA 實驗結果公佈之後，質子半徑的差異不應該那麼明顯，但他也警告説他的觀點“純屬猜測”。

“如果科學家得到了一個和自己預期不一致的結果，他們會很自然地繼續去尋找可能的系統誤差，否則，他們也許就不會花太大力氣去做這件事了。”

相反，Meißner 堅定地認為小的質子半徑是正確的。他説他不想從 CREMA 研究人員那裏拿走任何東西，並稱他們的實驗是“非常精確和偉大的工作”。但是他對自己之前的工作沒有得到應有的認同感到不滿。他坦誠他不會再與美因茨大學的那些人討論質子半徑的問題了。“他們可以讓大的質子半徑給他們殉葬，”他説，“我不在乎。”[1] 譯者注：頻率梳子指具有一系列等間距的非常窄的能譜的激光，就像梳子一樣。實驗中這種激光較單頻率的激光效率更高，又比連續譜的激光有更小的統計誤差。

本文經授權轉載自微信公眾號“中國科學院理論物理研究所”，原題目為《Doctor Curious 19：解決質子半徑之謎》。英文原文發表於 2021 年 6 月發行的 Physics World 雜誌。

原文鏈接：https://physicsworld.com/a/solving-the-proton-puzzle/