Nature一作兼通讯：0.00000000000000167824 米
纳米人
2021-02-22
He是宇宙中含量第二高的元素，其中4He是最为普遍的同位素，该结构由两个质子和两个中子组成，被称为α粒子。α粒子比其他类型的原子核更加紧密，比如α离子比氘核（由一个质子和一个中子组成）的体积低20 %。因此，α粒子的准确体积测试具有及其重要的意义。有鉴于此，马克思·普朗克量子光学研究所Julian J. Krauth、Randolf Pohl，苏黎世联邦理工学院Aldo Antognini等报道了对(μ4He)+中的两种2S-2P跃迁进行测试，结果显示He原子核的精确度均方根电荷半径为1.67824(83)飞米。该结果与电子散射得到的测试结果相符（目前最准确的结果），同时精度进一步提高了4.8倍，为少核物理学相关理论、晶格量子色动力学（chromodynamics）、电子散射提供了可靠的对照标准。该测试结果将有望有助于解决困扰十年关于质子半径的一些问题。建立了光μ介子和离子的光谱，为研究原子核相关性质提供一种高精确度工具和参数。达姆施塔特工业大学Wilfried Nörtershäuser对该项工作的重要进展进行亮点报道。该实验中的测试原理基于原子对光的吸收/释放能量频率是固定的数值，其频率由负电荷的电子和正电荷的原子核（正电荷由质子提供）之间相互作用决定。其中激光的吸收频率的发射频率与带电半径有一定较弱的关系，从而该体系能够对其中影响频率的参数的准确度进行考察。在以往的实验技术中，该系统最高支持两体系统（电子/类电子-原子核），因为量子力学模型难以对更加复杂的系统进行高精度计算。导致目前该体系中只能获得质子、氘原子核的大小。马克思·普朗克量子光学研究所Julian J. Krauth等发展了一种非常聪明的方法测试α粒子，具体通过向He气中注入负电性μ子，随后负电性μ子和He碰撞消耗携带的能量，而且替换He原子中的电子；随后进一步的消耗能量，更加靠近原子核，同时另一个电子从原子中逸出，形成了由α-微粒和μ子组成的正电离子。当形成这种正电离子后，作者将激光照射该正离子，导致μ子进一步靠近原子核，同时释放一个X射线光子。随后对该释放的X射线光子进行分析，实现了对He原子核半径的高精度测试。事实上，本工作中测试的并不是标准结构He核，而是其中的核外电子被μ子替代的μHe原子核阳离子半径。但是对μHe核半径的精确测试对于核物理而言具有里程碑意义，有望帮助研究人员测试核结构的新型理论模型。
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 Nörtershäuser, 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通讯作者：Julian J. Krauth, Randolf Pohl, Aldo Antognini通讯单位：马克思·普朗克量子光学研究所、苏黎世联邦理工学院
