在瑞士保罗·谢尔研究所（Paul Scherrer Institute，以下简称 PSI）展开的实验中，一个国际合作团队测量出了氦原子核半径，其精确度比以往测量值高出5倍。有了这一新数值，科学家们能够检测物理基础理论，确定更加精确的自然常数。为了实现这次测量，研究人员需要μ子，它与电子相似，但质量为电子的200倍。PSI是全球唯一一所能够制造低能μ 子展开测量实验的研究机构。研究人员将最新成果发表在《自然》（Nature）杂志上。氦是宇宙中继氢之后第二丰富的元素。在大爆炸发生后的最初几分钟内，宇宙中形成的原子核约四分之一都是氦原子核。氦核由四个基本粒子构成：两个质子和两个中子。对基础物理学来说，理解氦原子核的特性非常关键，有助于理解其他比氦更重的原子核中发生的过程。“氦原子核是非常基本的原子核，可以用神奇来描述。”PSI和苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的物理学家Aldo Antognini说道。他的同事和论文的合作者，来自德国美因茨约翰内斯古腾堡大学（Johannes Gutenberg University）的Randolf Pohl补充说：“我们先前对氦原子核的了解来自电子实验。然而在PSI，我们首次研发出一类新的测量方法，极大提升了精确度。”
Aldo Antognini。图片来源：Paul Scherrer Institute/Markus Fischer这一国际合作项目使用新方法，成功确定了氦原子核尺寸，所得数值的精确度比以往的技术高出5倍。1月28日，团队在顶级科学期刊《自然》上发表了这一成果。根据他们的发现，氦原子核的电荷平均半径为1.67824飞米（即 femtometer，一飞米为一米的千万亿分之一）。“我们实验背后的思路相当简单。”Antognini解释说。正常情况下，两个带负电荷的电子围绕带正电荷的氦原子核旋转。“我们没有使用普通的原子，而是使用了奇异原子（exotic atoms），用（两个）μ子来代替两个电子。”μ子是比电子更重的粒子，两者非常相似，但前者的质量是后者的约200倍。μ子与原子核的结合要比电子更加牢固，因此环绕原子核的规道也更窄。与电子相比，μ子几乎像是逗留在原子核内部一般。Antognini说：“所以，我们可以利用μ子-氦得出结论，理解原子核结构，测量其特征。”PSI使用粒子加速器制造μ子。该研究所的特色是生成低能μ子，这些粒子运动缓慢，可以让它们在装置中停下来，用以展开实验。这就是研究人员制造奇异原子唯一可行的方式：让μ子把电子“扔出”其规道，取代电子的位置。而高速μ子反而会直接飞出实验装置。PSI系统提供的低能μ子数量远多于全球其他同类系统。“这就是为什么只有在这里，我们才能够使用μ子-氦来展开实验。”Fran Kottmann说道。40多年来，为实现这一实验，他一直致力于推进必要的初步研究和技术发展，为实现这个实验做准备。
μ子会撞击一个充满氦气的小型气室。如果条件合适，μ-氦原子就此诞生，而μ子所处的能态能够让它始终待在原子核内。“接下来，就轮到实验第二重要的部分——激光系统发挥作用。”Pohl解释说。这一精密系统会对氦气发射激光脉冲。如果激光频率正确，就会激发μ子，使其进入更高的能量状态，这时它的运动路径会保持在原子核外。当它从高能态回落到基态后，会发射X射线。探测器会记录下这些X射线信号。在实验过程中，研究人员不断改变激光频率，直到出现大量X射线信号。接下来，他们要用到物理学家常说的共振频率。借助这一频率，就能确定原子中μ子两种能态之间的差异。根据理论，测量到的能量差异取决于原子核的大小，因此研究人员使用理论方程，通过测量到的共振确定原子核半径。数据分析由Randolf Pohl的团队在美因茨进行。2010年，PSI的研究人员已经使用同样的方法测量了质子半径。当时他们获得的测量值与其他测量方法获得的数值不匹配。关于质子半径之谜的成因，曾经众说纷纭，一些人推测这背后可能隐藏着新物理学，μ子和质子以先前未知的形式相互作用。而这次，更精确的新数值和其他方法得到的测量值没有矛盾。Kottmann说：“这说明更不太可能用超越标准模型之外的物理学来解释这些结果。”此外，近年来使用其他方法确定的质子半径数值不断接近PSI给出的精确数值。“质子半径之谜仍然存在，但也在逐渐解开。”Kottmann补充说。
Franz Kottmann（左）和 Karsten Schuhmann 为实验做了关键的准备工作。图片来源：Paul Scherrer Institute/Markus Fischer“我们的测量用途多种多样。”研究的第一作者Julian Krauth说，“氦原子核半径是核物理学的重要试金石。”原子核通过强相互作用结合在一起，强相互作用是物理学四大基本力之一。借助强相互作用理论，即量子色动力学（quantum chromodynamis），物理学家能预测氦原子核以及其他包含少数质子和中子的轻原子核半径。而氦原子核半径的精确测量让科学家能够继续检验其他理论预测，亦有助于检测原子核结构新理论模型，更好地理解原子核。μ-氦原子的测量值也可与使用普通氦原子和离子的实验测量值相比较。后一类实验也使用激光系统触发能态转变并进行测量，不过对象是电子而不是μ子。测量电子氦原子的实验正在进行中。通过比较两项实验的测量结果，我们能够得出结论，确定基本自然常数，比如里德伯常数（Rydberg constant），该常数在量子力学中作用重要。尽管经历了漫长的实验，质子半径测量才取得了成功，而这次氦原子核实验却是立马有了结果。“研究进展顺利，我们相当幸运，”Antognini说，“这样的激光系统帮助我们处在技术的前沿，能够轻松实现突破。”
“而我们的新项目难度会更高。”ETH的Karsten Schuhmann补充说，“目前我们正在攻克质子磁半径的问题。要实现目标，激光脉冲的能量需要加强10倍。”https://eurekalert.org/emb_releases/2021-01/psi-soh012521.php 【论文标题】Measuring the α-particle charge radius with muonic helium-4 ions【论文作者】Julian J. Krauth, Karsten Schuhmann, Franz Kottmann, et al.【论文编号】10.1038/s41586-021-03183-1【论文链接】https://www.nature.com/articles/s41586-021-03183-1 【论文摘要】The energy levels of hydrogen-like atomic systems can be calculated with great precision. Starting from their quantum mechanical solution, they have been refined over the years to include the electron spin, the relativistic and quantum field effects, and tiny energy shifts related to the complex structure of the nucleus. These energy shifts caused by the nuclear structure are vastly magnified in hydrogen-like systems formed by a negative muon and a nucleus, so spectroscopy of these muonic ions can be used to investigate the nuclear structure with high precision. Here we present the measurement of two 2S–2P transitions in the muonic helium-4 ion that yields a precise determination of the root-mean-square charge radius of the α particle of 1.67824(83) femtometres. This determination from atomic spectroscopy is in excellent agreement with the value from electron scattering1, but a factor of 4.8 more precise, providing a benchmark for few-nucleon theories, lattice quantum chromodynamics and electron scattering. This agreement also constrains several beyond-standard-model theories proposed to explain the proton-radius puzzle2,3,4,5, in line with recent determinations of the proton charge radius6,7,8,9, and establishes spectroscopy of light muonic atoms and ions as a precise tool for studies of nuclear properties.
文章来源：PAUL SCHERRER INSTITUTE
IEEE Spectrum
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