科羅拉多州立大學的物理學家以空前的精確度測量了氫質子的半徑，幫助解決了一個長達十年的不一致問題，該問題對自然界最基本粒子之一提出了疑問。研究團隊確定質子的半徑約為 0.84 斐米（femtometers），即不到一萬億分之一米。這一結果與先前接受的 0.876 斐米值有所不同，並與更近期的測量結果一致，後者顯示質子比科學家先前認為的稍小。該發現有助於縮小所謂的「質子半徑難題」，這是一場持續已久的辯論，當不同的實驗方法產生了矛盾的質子尺寸測量值時便出現了這個問題。
多年來，物理學家在使用電子測量氫原子時獲得了一個值。然而，使用重於電子的μ子（muons）進行的實驗卻持續指向較小的質子半徑。這一不匹配引發了人們的推測，認為可能有未知的物理現象在影響結果。
科羅拉多州立大學的研究結果顯示質子半徑的準確性
精確的測量結束了爭論。根據研究人員的説法，此結果與標準模型的預測相符，標準模型是描述基本粒子如何相互作用的框架。該研究還降低了未知的力量或粒子導致不一致的可能性。「我們的測試顯示質子的大小與理論在十億分之一的精確度上完全一致，消除了新力量或粒子在本案例中引起不一致的可能性。」科羅拉多州立大學物理系的副教授迪倫·約斯特（Dylan Yost）表示，「這將顯著改變標準模型，並且是研究人員一直在尋找的東西。」
為了進行測量，研究人員在真空室內產生了一束原子氫，並使用紫外激光激發電子進行不同能量級別之間的過渡。由於質子的大小微妙地影響電子在原子核周圍的行為，因此研究團隊可以通過精確測量這些能量轉變來推斷質子的半徑。該實驗同時也是量子電動力學的測試，該理論描述了光與物質之間的相互作用。
新激光方法是此次研究的一大挑戰，因為快速運動的氫原子與激光光束的互動時間非常短。為了克服這一限制，研究團隊開發了一種同時使用兩個激光場的新技術。「這些原子運動非常快，與激光的互動時間短，這可能會沖淡我們所尋找的信號。」該研究的首席作者、博士生瑞安·布利斯（Ryan Bullis）表示，「我們開發了一種新技術，同時使用兩個激光場以提高測量的精確度。」這一結果得到了馬克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）團隊使用不同測量方法的獨立確認，進一步增強了對修訂後質子大小的信心。
研究人員表示，在該項目中開發的激光技術將應用於更複雜的氫形式，包括氘（deuterium），以探究原子物理的其他方面。約斯特指出，這項工作展示了精確的桌面實驗如何能夠補充大型設施，如粒子加速器，從而在尋找新物理現象和更深入測試現有理論方面提供幫助。該研究已發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）期刊。
