近日，由美因茨約翰內斯古騰堡大學(JGU)物理研究所蘭道夫·波爾(Randolf Pohl)教授領導的研究小組，在確定原子核基本性質方面取得重大突破。該團隊首次在瑞士保羅·謝勒研究所針對μ子氦 - 3開展激光光譜實驗，相關研究結果于發表在《科學》雜志上。

μ子氦 - 3是一種特殊的氦，其原子的兩個電子被一個更重的μ子取代。蘭道夫·波爾教授表示：“我們利用μ介子氦 - 3進行的實驗，提供了迄今為止該原子核電荷半徑最精確的數值。這主要是因為較重的μ介子比普通原子中的電子更靠近原子核，使其對原子核的大小和結構更加敏感。”氦原子核始終由兩個質子組成，不同同位素依據原子核中的中子數量區分：氦 - 3除兩個質子外含一個中子，較重的氦 - 4則含兩個中子。波爾教授團隊幾年前已利用激光光譜和μ介子成功測量了氦 - 4。

傳統上，原子核半徑借助粒子加速器確定，如JGU的MAMI或未來的MESA。然而，此次從μ子氦測量中獲得的新值，精度提高了15倍，達到1.97007 ± 0.00097飛米。電子激光光譜法此前已成功應用于最輕的原子核，如氫和氘。對于氦，雖存在高精度測量，但氦原子中兩個電子的存在使理論計算更復雜，無法僅從這些測量結果準確確定原子核半徑。不過，可確定不同氦同位素(質子數相同但中子數不同的原子核)之間的電荷半徑差異。此次從μ子氦測量獲得的新結果，與阿姆斯特丹一個研究小組最近對普通氦進行的實驗結果一致，該實驗結果同樣于昨日發表在《科學》雜志上。

波爾稱：“結合我們2021年發表在《自然》雜志上關于μ子氦 - 4的早期研究結果，我們現在能夠精確確定氦 - 3和氦 - 4之間的電荷半徑差異，這是一項重要進步。”

美因茨團隊和阿姆斯特丹團隊的測量結果高度一致，證實了關于最輕原子核的核物理現有知識。這些知識部分基于對原子核結構的關鍵理論計算，這些計算也在PRISMA +卓越集群內進行。索尼婭·巴卡教授的團隊計算了μ子對氦核結構的影響，馬克·范德海根教授和弗朗西斯卡·哈格爾斯坦博士則探索了質子和中子的作用。這些理論基礎使得能夠從精確的實驗數據中提取有關原子核的可靠信息。

“準確了解核電荷半徑對于確定里德伯常數等基本物理常數至關重要，”波爾解釋道，“這對于探索新物理學——標準模型中尚未包含的粒子和力——也至關重要。此前該領域缺乏精確數據，帶來很大不確定性。”

展望未來，美因茨實驗和理論物理學家團隊計劃將方法應用于其他原子核，范圍從鋰到氖，其精度將比基于粒子加速器的方法高出十倍。他們將使用創新的X射線探測器代替激光。這項工作與波爾團隊之前領導的實驗一樣，由德國研究基金會(DFG)資助，是約翰內斯古騰堡大學1660合作研究中心的一部分。