美因茨约翰内斯古腾堡大学(JGU)的一组理论物理学家再次成功地显着改进了他们于2021年发表的质子电荷半径的计算结果。他们第一次完全不使用实验就获得了足够精确的结果。数据。

就质子的大小而言，这些新的计算也倾向于较小的值。与此同时，物理学家首次发表了对质子磁荷半径的稳定理论预测。所有新发现都可以在arXiv服务器上发布的三份预印本中找到。

所有已知的原子核都由质子和中子组成，但这些普遍存在的核子的许多特征仍有待了解。具体来说，尽管科学家们经过了几年的努力，但仍无法确定质子的半径。2010年，一项涉及μ子氢激光光谱的新质子半径测量技术的结果引起了轰动——在这种“特殊”的氢中，原子壳层中的电子被其较重的亲戚μ子取代，是对质子尺寸更为敏感的探针。

实验人员得出的值明显小于对“正常”氢的相应测量以及使用电子-质子散射确定质子半径的传统方法所发现的值。从那时起，物理学家一直在问的一个大问题是，这种偏差是否可以成为标准模型之外的新物理学的证据，或者“简单地”反映了不同测量方法固有的系统不确定性。

质子半径之谜解决了吗?

近年来，越来越多的证据表明，较小的实验值才是正确的，即质子半径之谜背后并没有新的物理原理。理论计算对于明确回答这个问题做出了重大贡献。早在2021年，美因茨卓越集群PRISMA+的HartmutWittig教授领导的研究人员就成功地以足够的精度进行了所谓的晶格计算，为较小质子半径提供了另一个可靠的线索。

“与此同时，我们又向前迈出了一大步，”HartmutWittig解释道。“例如，我研究小组的博士生MiguelSalg取得了非常好的结果，再次显着改进和扩展了我们之前的计算。”

两年前，美因茨研究小组“仅”计算了所谓的等矢量半径，它与质子半径并不相同。他们通过添加中子半径的实验数据来确定当时公布的质子半径值。“与此同时，我们还计算了当时缺失的分数，增加了统计数据并更好地限制了系统误差，因此我们现在第一次可以完全省去实验数据，”米格尔·萨尔格说。

“此外，我们还能够检查2021年的结果在多大程度上能够完成直接计算，结果表明我们的2021年值也是正确的。”“关于质子半径之谜，我们可以有把握地说，即使有了新的计算，越来越多的证据表明质子半径可以用较小的值正确描述，”哈特穆特·维蒂格说。

美因茨物理学家的计算基于量子色动力学(QCD)理论。它描述了原子核中力的相互作用：强相互作用将夸克(物质的基本组成部分)结合形成质子和中子，并由充当交换粒子的胶子介导。为了能够用数学方法处理这些过程，美因茨的科学家们利用了所谓的晶格场理论。

在这种情况下，就像在晶体中一样，夸克分布在离散时空晶格的点上。然后可以使用特殊的模拟方法通过超级计算机来计算核子的属性：第一步是所谓的电磁形状因子。这些描述了质子内电荷和磁化强度的分布。由此，可以确定质子半径。

磁荷半径的首次稳定理论预测

除了到目前为止已经讨论过的电荷半径之外，质子还有磁电荷半径，这也带来了困惑。美因茨理论家也在QCD的基础上计算了这个性质。HartmutWittig解释说：“人们可以通过质子所产生的电荷或磁电荷积累的扩展，以一种非常简单的方式来说明不同的半径，传入的电子在散射过程中‘看到’了质子。”

美因茨小组还首次纯粹基于理论计算获得了磁荷半径的稳定预测。“此外，通过对电和磁形状因子的精确了解，我们首次能够纯粹从QCD推导出质子的所谓Zemach半径，这是μ子氢实验测量的重要输入量HartmutWittig总结道：“这再次表明晶格QCD计算的质量在此期间已经取得了多么大的进步。”

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