近日，瑞士的保羅謝爾研究所（Paul Scherrer Institute，PSI）的研究小組發表了最新的氦原子核半徑的測量結果。此次測量結果相比於之前精確度提高了5倍。更加精確的測量結果有助於驗證物理學理論和確定物理基本常數的數值。該實驗採用了μ子—一種類似於電子，但比電子重兩百倍的基本粒子。PSI也有著全球唯一的低能量μ子源。該成果於2020年1月27日在期刊《Nature》上發表。
位於氫原子之後，氦原子是宇宙中含量第二多的元素。宇宙大爆炸發生後的頭幾分鐘裡形成的原子核有將近四分之一都是氦原子核—由兩個質子和兩個中子組成的。氦原子核也叫α粒子，高中物理中常見的α衰變就是產生氦原子核的衰變。氦原子核在核物理學中有很重要的地位：它們是研究其他重原子核的基礎。原子核中的基本粒子通過強相互作用形成原子核，氦原子核是最簡單的包括強相互作用的粒子。研究強相互作用的物理理論叫做量子色動力學（quantum chromodynamics）,精確的氦原子核的實驗數據可以直接用於驗證量子色動力學。之前對於氦原子核的研究只能通過電子的相互作用，而此次研究開啟了一種全新的研究方法—μ子的相互作用。
正常的氦原子中，兩個帶有負電荷的電子環繞著帶正電的原子核。從電子躍遷發出的光信息中就可以計算出原子核的性質。在新的實驗中，科學家們製造出了一種奇異的原子，兩個μ子代替了兩個電子，環繞在原子核外運動。在粒子物理的標準模型中，μ子是電子的「親兄弟」，除了質量不同。相比於電子，更重的μ子會更加緊密的環繞在氦原子核之外。與原子核的接觸更緊密，光譜中有關原子核的信息也就越大，這也是為什麼該研究的精確度較之前的工作有了顯著的提高。實驗最後得出氦原子核的半徑為1.67824 fm（1m =10^15 fm, 15個零），不確定度僅有十萬分之八。
實驗中使用的μ子產生自PSI的粒子加速器，其特點是能夠產生低能量的μ子。低速的μ子能在實驗中停留更久，信號更強，高能的μ子則會飛速穿過實驗儀器，信號小且誤差大。科學家們首先將μ子導入一個充滿氦氣的氣室，μ子與氦原子發生碰撞，一部分的μ子將電子從原子中撞出，形成所需的亞穩態的奇異原子。除了μ子源，另一個重要的實驗部分是用來完成測量的雷射系統。當雷射的頻率和μ子發生量子躍遷所需的頻率一致時，μ子會被激發到更高的能級。這些高能態的μ子最終會回到基態，輻射出大量X射線。所以當儀器檢測到X射線的劑量增大時，就對應了雷射的頻率剛好調製到了躍遷所需的能量。
雷射光譜。當雷射頻率與躍遷頻率一致時，X射線的劑量會大幅增長。
在2010年，PSI也是用這種方法研究氫原子核—只有一個質子。令人意外的是，當時測量出的質子半徑比所有此前的測量結果小了4%，引起了物理學界的一場震動，被稱為「質子半徑之謎」。之後的幾年裡，各國的科學家們進行了各種測量，可結果仍然有分歧。時至今日，質子的半徑仍然沒有一個統一的結論。這次的結果間接地支持了較小的質子半徑的結論，也為解決質子半徑之謎提供了一些有力的實驗依據。
「質子半徑之謎」 。不同的測量給出兩個偏差超過3倍的標準差的結果。
下一步，PSI的科學家們計劃使用同樣的方法測量其他的原子核。不同原子系統的結果綜合起來可以一起驗證基本粒子的物理理論。