一个研究团队在确定原子核的基本性质方面取得了重大突破。该团队对μ介子氦-3进行了激光光谱实验。μ介子氦-3是氦的一种特殊形式，在这种形式中，原子的两个电子被替换为一个更重的μ介子。
"我们在μ子氦-3原子上的实验，给出了迄今为止该原子核电荷半径的最精确值，"同样隶属于美因茨大学PRISMA⁺卓越集群的Randolf Pohl表示，"这主要是因为重μ子在原子核周围的轨道比普通原子中的电子更近，使其对原子核的大小和结构敏感得多。" 氦原子核始终由两个质子构成——这正是将其定义为氦的关键。不同同位素通过原子核中的中子数区分：氦-3包含两个质子和一个中子，而更重的氦-4则包含两个质子与两个中子。Pohl教授的团队早在数年前就利用激光光谱学和μ子成功测量了氦-4。
测量结果验证理论模型
传统上，原子核半径通过粒子加速器（如美因茨大学的MAMI或未来的MESA）测定。然而，基于μ子氦测量获得的新数值精度提高了十五倍，达到1.97007 ± 0.00097飞米。此前，电子激光光谱学已成功应用于最轻的原子核（如氢和氘）。虽然氦也存在高精度测量，但氦原子中两个电子的存在使得理论计算更为复杂，仅凭此类测量无法精确测定原子核半径。尽管如此，已能确定不同氦同位素（质子数相同但中子数不同的原子核）电荷半径的差值。μ子氦测量的新结果与阿姆斯特丹研究团队近期在普通氦上开展的实验高度吻合——该成果同样发表于昨日的《科学》期刊。
"结合我们2021年发表于《自然》期刊的μ子氦-4研究成果，现可精确测定氦-3与氦-4的电荷半径差值——这是一项重大进展，"Pohl强调。
PRISMA⁺卓越集群中理论与实验的紧密协作
美因茨团队与阿姆斯特丹团队的测量结果高度一致，验证了现有关于最轻原子核核物理的认知体系。该体系部分建立在PRISMA⁺卓越集群内开展的关键核结构理论计算基础上。
Sonia Bacca教授团队计算了μ子对氦原子核结构的影响，而Marc Vanderhaeghen教授与Franziska Hagelstein博士则深入探究了质子与中子的作用机制。这些理论基础使得从精密实验数据中提取原子核的可靠信息成为可能。
"精确掌握原子核电荷半径对于确定基本物理常数（如里德伯常量）至关重要，"Pohl解释道，"它同样对探索新物理——即标准模型尚未涵盖的粒子与作用力——具有决定性意义。此前该领域精确数据的缺失导致了显著的不确定性。"
计划精确测量更多原子核
展望未来，美因茨的实验与理论物理学家团队计划将其方法应用于其他原子核——从锂到氖——其精度将比基于粒子加速器的方法提高十倍。他们将采用创新型X射线探测器替代激光器。这项工作与Pohl团队先前实验一样，获得德国研究基金会(DFG)在美因茨大学合作研究中心1660框架内的资助。