來源 PAUL SCHERRER INSTITUTE
翻譯 阿金
審校 戚譯引
在瑞士保羅·謝爾研究所（Paul Scherrer Institute，以下簡稱 PSI）展開的實驗中，一個國際合作團隊測量出了氦原子核半徑，其精確度比以往測量值高出 5 倍。有了這一新數值，科學家們能夠檢測物理基礎理論，確定更加精確的自然常數。為了實現這次測量，研究人員需要 μ 子，它與電子相似，但質量為電子的 200 倍。PSI 是全球唯一一所能夠製造低能 μ 子展開測量實驗的研究機構。研究人員將最新成果發表在《自然》（Nature）雜誌上。
氦是宇宙中繼氫之後第二豐富的元素。在大爆炸發生後的最初幾分鐘內，宇宙中形成的原子核約四分之一都是氦原子核。氦核由四個基本粒子構成：兩個質子和兩個中子。對基礎物理學來說，理解氦原子核的特性非常關鍵，有助於理解其他比氦更重的原子核中發生的過程。「氦原子核是非常基本的原子核，可以用神奇來描述。」PSI 和蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的物理學家 Aldo Antognini 說道。他的同事和論文的合作者，來自德國美因茨約翰內斯古騰堡大學（Johannes Gutenberg University）的 Randolf Pohl 補充說：「我們先前對氦原子核的了解來自電子實驗。然而在 PSI，我們首次研發出一類新的測量方法，極大提升了精確度。」
Aldo Antognini。圖片來源：Paul Scherrer Institute/Markus Fischer
這一國際合作項目使用新方法，成功確定了氦原子核尺寸，所得數值的精確度比以往的技術高出 5 倍。1 月 28 日，團隊在頂級科學期刊《自然》上發表了這一成果。根據他們的發現，氦原子核的電荷平均半徑為 1.67824 飛米（即 femtometer，一飛米為一米的千萬億分之一）。
「我們實驗背後的思路相當簡單。」Antognini 解釋說。正常情況下，兩個帶負電荷的電子圍繞帶正電荷的氦原子核旋轉。「我們沒有使用普通的原子，而是使用了奇異原子（exotic atoms），用（兩個）μ 子來代替兩個電子。」μ 子是比電子更重的粒子，兩者非常相似，但前者的質量是後者的約 200 倍。μ 子與原子核的結合要比電子更加牢固，因此環繞原子核的規道也更窄。與電子相比，μ 子幾乎像是逗留在原子核內部一般。Antognini 說：「所以，我們可以利用 μ 子-氦得出結論，理解原子核結構，測量其特徵。」
複雜精密的雷射系統
PSI 使用粒子加速器製造 μ 子。該研究所的特色是生成低能 μ 子，這些粒子運動緩慢，可以讓它們在裝置中停下來，用以展開實驗。這就是研究人員製造奇異原子唯一可行的方式：讓 μ 子把電子「扔出」其規道，取代電子的位置。而高速 μ 子反而會直接飛出實驗裝置。PSI 系統提供的低能 μ 子數量遠多於全球其他同類系統。「這就是為什麼只有在這裡，我們才能夠使用μ子-氦來展開實驗。」Fran Kottmann 說道。40 多年來，為實現這一實驗，他一直致力於推進必要的初步研究和技術發展，為實現這個實驗做準備。
μ 子會撞擊一個充滿氦氣的小型氣室。如果條件合適，μ-氦原子就此誕生，而 μ 子所處的能態能夠讓它始終待在原子核內。「接下來，就輪到實驗第二重要的部分——雷射系統發揮作用。」Pohl 解釋說。這一精密系統會對氦氣發射雷射脈衝。如果雷射頻率正確，就會激發 μ 子，使其進入更高的能量狀態，這時它的運動路徑會保持在原子核外。當它從高能態回落到基態後，會發射 X 射線。探測器會記錄下這些 X 射線信號。
在實驗過程中，研究人員不斷改變雷射頻率，直到出現大量 X 射線信號。接下來，他們要用到物理學家常說的共振頻率。藉助這一頻率，就能確定原子中 μ 子兩種能態之間的差異。根據理論，測量到的能量差異取決於原子核的大小，因此研究人員使用理論方程，通過測量到的共振確定原子核半徑。數據分析由 Randolf Pohl 的團隊在美因茨進行。
質子半徑謎團正在解開
2010 年，PSI 的研究人員已經使用同樣的方法測量了質子半徑。當時他們獲得的測量值與其他測量方法獲得的數值不匹配。關於質子半徑之謎的成因，曾經眾說紛紜，一些人推測這背後可能隱藏著新物理學，μ 子和質子以先前未知的形式相互作用。而這次，更精確的新數值和其他方法得到的測量值沒有矛盾。Kottmann 說：「這說明更不太可能用超越標準模型之外的物理學來解釋這些結果。」此外，近年來使用其他方法確定的質子半徑數值不斷接近 PSI 給出的精確數值。「質子半徑之謎仍然存在，但也在逐漸解開。」Kottmann 補充說。
Franz Kottmann（左）和 Karsten Schuhmann 為實驗做了關鍵的準備工作。圖片來源：Paul Scherrer Institute/Markus Fischer
「我們的測量用途多種多樣。」研究的第一作者 Julian Krauth 說，「氦原子核半徑是核物理學的重要試金石。」原子核通過強相互作用結合在一起，強相互作用是物理學四大基本力之一。藉助強相互作用理論，即量子色動力學（quantum chromodynamis），物理學家能預測氦原子核以及其他包含少數質子和中子的輕原子核半徑。而氦原子核半徑的精確測量讓科學家能夠繼續檢驗其他理論預測，亦有助於檢測原子核結構新理論模型，更好地理解原子核。
μ-氦原子的測量值也可與使用普通氦原子和離子的實驗測量值相比較。後一類實驗也使用雷射系統觸發能態轉變並進行測量，不過對象是電子而不是 μ 子。測量電子氦原子的實驗正在進行中。通過比較兩項實驗的測量結果，我們能夠得出結論，確定基本自然常數，比如裡德伯常數（Rydberg constant），該常數在量子力學中作用重要。
傳統悠久的合作
儘管經歷了漫長的實驗，質子半徑測量才取得了成功，而這次氦原子核實驗卻是立馬有了結果。「研究進展順利，我們相當幸運，」Antognini 說，「這樣的雷射系統幫助我們處在技術的前沿，能夠輕鬆實現突破。」
「而我們的新項目難度會更高。」ETH 的 Karsten Schuhmann 補充說，「目前我們正在攻克質子磁半徑的問題。要實現目標，雷射脈衝的能量需要加強 10 倍。」
參考來源：https://eurekalert.org/emb_releases/2021-01/psi-soh012521.php
封面圖片來源：Pixabay
論文信息
【論文標題】Measuring the α-particle charge radius with muonic helium-4 ions
【論文作者】Julian J. Krauth, Karsten Schuhmann, Franz Kottmann, et al.
【發表時間】2020 年 1 月 27 日
【發表期刊】Nature
【論文編號】10.1038/s41586-021-03183-1
【論文連結】https://www.nature.com/articles/s41586-021-03183-1
【論文摘要】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.
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