氦-3电荷半径实现突破性精度测量

"我们对μ子氦-3的实验得出了迄今为止该原子核电荷半径最精确的数值，"Randolf Pohl表示，他也是美因茨大学PRISMA⁺卓越集群的成员。"这主要是因为重的μ子在轨道上比普通原子中的电子更靠近原子核，因此对原子核的大小和结构要敏感得多。" 氦原子核总是由两个质子组成——这定义了其氦元素的性质。不同同位素通过原子核中的中子数量来区分：氦-3除了两个质子外含有一个中子，而较重的氦-4则含有两个中子。Pohl教授的团队几年前已经成功利用激光光谱学和μ子测量了氦-4。

测量结果证实理论模型

传统上，原子核半径是使用粒子加速器（如美因茨大学的MAMI或未来的MESA）来确定的。然而，从μ子氦测量中获得的新数值精度提高了十五倍，结果为1.97007 ± 0.00097 飞米。此前，利用电子进行的激光光谱学已成功应用于最轻的原子核，如氢和氘。对于氦，也存在高度精确的测量，但由于氦原子中存在两个电子，使得理论计算更为复杂，无法仅凭此类测量准确确定原子核半径。不过，已经能够确定不同氦同位素（质子数相同但中子数不同的原子核）之间电荷半径的差异。来自μ子氦测量的新结果，与阿姆斯特丹一个研究团队昨日同样发表在《科学》杂志上的常规氦实验非常吻合。

"结合我们之前在2021年《自然》杂志上发表的关于μ子氦-4的结果，我们现在能够精确测定氦-3和氦-4之间电荷半径的差异——这是一项重要的进展，"Pohl说道。

PRISMA⁺卓越集群中的理论与实验紧密互动

美因茨团队和阿姆斯特丹团队测量结果的强烈一致性，证实了现有关于最轻原子核核物理的知识。这部分知识也基于在PRISMA⁺卓越集群内开展的关键核结构理论计算。

Sonia Bacca教授的团队计算了μ子对氦原子核结构的影响，而Marc Vanderhaeghen教授和Franziska Hagelstein博士则探索了质子和中子的作用。这些理论基础使得能够从精确的实验数据中提取关于原子核的可靠信息。

"精确了解核电荷半径对于确定基本物理常数（如里德伯常数）至关重要，"Pohl解释道。"它对于寻找新物理学——标准模型中尚未包含的粒子和力——也极为关键。此前该领域缺乏精确数据，带来了很大的不确定性。"

计划精确测量其他原子核

展望未来，美因茨的实验物理学家和理论物理学家团队计划将其方法应用于从锂到氖的其他原子核，精度将比基于粒子加速器的方法高十倍。他们将使用创新的X射线探测器取代激光器。这项工作，与之前由Pohl团队领导的实验一样，得到了德国研究基金会（DFG）在美因茨大学协作研究中心1660（CRC 1660）框架下的支持。