一、【科学背景】
量子电动力学（QED）作为粒子物理标准模型（SM）的核心支柱之一，能以 13 位有效数字精准预言氢原子能级，氢原子光谱学因此成为检验 QED 和标准模型的理想平台。质子均方根电荷半径rp是从氢原子不同跃迁测量中提取的关键物理常数，其测定结果的一致性是验证 QED 的重要依据，但此前氢原子光谱测量得到的rp值彼此间存在分歧，且与μ子氢光谱的高精度测量值偏差显著，形成了 “质子半径谜题”。
现有氢原子光谱测量手段的精度不足，无法区分不同的rp争议值，也难以在实验不确定度层面完成对 QED 和标准模型的严格检验，同时氢原子 2S-6P 跃迁虽已被激光光谱学观测，但测量精度尚未达到能解决上述谜题的水平，亟需发展更高精度的实验技术和分析方法。
二、【创新成果】
美国加州大学伯克利分校Lothar Maisenbacher团队报道了用氢原子对标准模型进行万亿分之一的测试。研究人员为解决氢原子光谱测量中rp结果存在分歧、无法在实验不确定度层面检验QED和SM的“质子半径谜题”，开展了氢原子2S–6P跃迁的超高精度激光光谱研究。他们采用多普勒自由单光子激光光谱技术，在4.8K低温氢原子束中实验，通过魔术偏振角、大探测立体角抑制量子干涉（QI）畸变，利用有源光纤后向反射器实现反向激光束波前匹配以抑制多普勒频移，结合速度分辨探测和蒙特卡洛模拟修正光力位移（LFS）等系统误差，还通过盲法分析和独立数据验证确保结果可靠性。最终精准测得2S–6P精细结构质心跃迁频率，提取出高精度rp值并与μ子氢测量结果吻合，解决了质子半径谜题，同时将标准模型检验精度推至0.7 ppt，实现束缚态QED修正0.5 ppm精度检验，发展了一系列高精度光谱学实验技术与分析方法。
图1. 质子均方根电荷半径rp © 2026 Nature
图2. 2S–6P 跃迁的无多普勒单光子光谱 © 2026 Nature
图3. 光力位移（LFS）的模拟与测量 © 2026 Nature
图4. 两种被研究的 2S–6P 跃迁的跃迁频率与多普勒斜率 © 2026 Nature
三、【科学启迪】
这项工作以万亿分之一精度验证了标准模型在轻子-强子相互作用领域的有效性，打消了质子半径谜题引发的对QED理论的质疑，也为新物理探索设下严苛约束。本次测得的氢原子2S-6P跃迁频率，为里德伯常数精准测定提供高精度数据，有望推动未来CODATA基础物理常数调整、减少数据分散性。实验精度已接近QED高阶修正的理论计算不确定度，为QED理论完善提出新要求，推动相关理论的精准计算，也为格点量子色动力学计算质子半径提供可靠实验基准。同时，研究中的超高精度氢原子光谱学实验方法，能与天体物理、冷原子物理等领域交叉融合，为宇宙学氢原子光谱红移测量提供高精度校准，也为冷原子量子操控、量子计量学发展提供重要技术支撑。
原文信息： Maisenbacher, L., Wirthl, V., Matveev, A. et al. Sub-part-per-trillion test of the Standard Model with atomic hydrogen. Nature (2026).
