He是宇宙中含量第二高的元素，其中4He是最為普遍的同位素，該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成，被稱(chēng)為α粒子。α粒子比其他類(lèi)型的原子核更加緊密，比如α離子比氘核（由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成）的體積低20 %。因此，α粒子的準(zhǔn)確體積測(cè)試具有及其重要的意義。有鑒于此，馬克思·普朗克量子光學(xué)研究所Julian J. Krauth、Randolf Pohl，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Aldo Antognini等報(bào)道了對(duì)(μ4He)+中的兩種2S-2P躍遷進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示He原子核的精確度均方根電荷半徑為1.67824(83)飛米。該結(jié)果與電子散射得到的測(cè)試結(jié)果相符（目前最準(zhǔn)確的結(jié)果），同時(shí)精度進(jìn)一步提高了4.8倍，為少核物理學(xué)相關(guān)理論、晶格量子色動(dòng)力學(xué)（chromodynamics）、電子散射提供了可靠的對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)。該測(cè)試結(jié)果將有望有助于解決困擾十年關(guān)于質(zhì)子半徑的一些問(wèn)題。建立了光μ介子和離子的光譜，為研究原子核相關(guān)性質(zhì)提供一種高精確度工具和參數(shù)。達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)Wilfried N?rtersh?user對(duì)該項(xiàng)工作的重要進(jìn)展進(jìn)行亮點(diǎn)報(bào)道。該實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試原理基于原子對(duì)光的吸收/釋放能量頻率是固定的數(shù)值，其頻率由負(fù)電荷的電子和正電荷的原子核（正電荷由質(zhì)子提供）之間相互作用決定。其中激光的吸收頻率的發(fā)射頻率與帶電半徑有一定較弱的關(guān)系，從而該體系能夠?qū)ζ渲杏绊戭l率的參數(shù)的準(zhǔn)確度進(jìn)行考察。在以往的實(shí)驗(yàn)技術(shù)中，該系統(tǒng)最高支持兩體系統(tǒng)（電子/類(lèi)電子-原子核），因?yàn)榱孔恿W(xué)模型難以對(duì)更加復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行高精度計(jì)算。導(dǎo)致目前該體系中只能獲得質(zhì)子、氘原子核的大小。圖1. 高精度測(cè)試He原子核半徑方法示意圖。馬克思·普朗克量子光學(xué)研究所Julian J. Krauth等發(fā)展了一種非常聰明的方法測(cè)試α粒子，具體通過(guò)向He氣中注入負(fù)電性μ子，隨后負(fù)電性μ子和He碰撞消耗攜帶的能量，而且替換He原子中的電子；隨后進(jìn)一步的消耗能量，更加靠近原子核，同時(shí)另一個(gè)電子從原子中逸出，形成了由α-微粒和μ子組成的正電離子。當(dāng)形成這種正電離子后，作者將激光照射該正離子，導(dǎo)致μ子進(jìn)一步靠近原子核，同時(shí)釋放一個(gè)X射線光子。隨后對(duì)該釋放的X射線光子進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)He原子核半徑的高精度測(cè)試。事實(shí)上，本工作中測(cè)試的并不是標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)He核，而是其中的核外電子被μ子替代的μHe原子核陽(yáng)離子半徑。但是對(duì)μHe核半徑的精確測(cè)試對(duì)于核物理而言具有里程碑意義，有望幫助研究人員測(cè)試核結(jié)構(gòu)的新型理論模型。
圖2. 測(cè)試結(jié)果、前人數(shù)據(jù)比較。1. Krauth, J.J., Schuhmann, K., Ahmed, M.A. et al. Measuring the α-particle charge radius with muonic helium-4 ions. Nature 589, 527–531 (2021).DOI: 10.1038/s41586-021-03183-1https://www.nature.com/articles/s41586-021-03183-12. Wilfried N?rtersh?user, Helium nucleus measured with record precision, Nature 589, 518-519 (2021)DOI: 10.1038/d41586-021-00120-0https://www.nature.com/articles/d41586-021-00120-0通訊作者：Julian J. Krauth, Randolf Pohl, Aldo Antognini通訊單位：馬克思·普朗克量子光學(xué)研究所、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院
