保罗·舍勒研究所 弗朗茨·科特曼(左)和卡斯滕·舒曼都为这个重要的实验做了必要的准备工作
荣誉:保罗·舍勒研究所/马库斯·费舍尔 在保罗·舍勒研究所的实验中，一项国际研究合作比以往任何时候都精确五倍地测量了氦原子核的半径
借助于这个新值，可以检验基本的物理理论，甚至可以更精确地确定自然常数
为了进行测量，研究人员需要μ子——这些粒子类似于电子，但重约200倍
PSI是世界上唯一一个为这种实验生产足够多的所谓低能μ子的研究场所
研究人员今天将他们的结果发表在《自然》杂志上
在氢之后，氦是宇宙中第二丰富的元素
大爆炸后最初几分钟形成的原子核中，大约有四分之一是氦核
这些由四个构件组成:两个质子和两个中子
对于基础物理学来说，了解氦核的性质是至关重要的，除此之外，还要了解比氦重的其他原子核的过程
“氦核是一个非常基本的原子核，可以说是神奇的，”苏黎世联邦理工学院物理学家阿尔多·安托瓦尼说
他的同事和合著者、德国美因茨约翰尼斯·古腾堡大学的鲁道夫·波尔补充道:“我们以前对氦核的了解来自于电子实验
然而，在防扩散安全倡议下，我们首次开发了一种新型的测量方法，其精确度更高
" 有了这个，国际研究合作成功地确定了氦核的大小，比以前的测量精确了大约五倍
该小组今天在著名的科学杂志《自然》上发表了他们的研究结果
根据他们的发现，氦核的所谓平均电荷半径是1
67824飞秒
“我们实验背后的想法很简单，”安托瓦尼解释道
通常两个带负电的电子围绕带正电的氦核运行
这位物理学家说:“我们不研究正常的原子，而是研究奇异的原子，其中两个电子都被一个μ子取代了。”
μ子被认为是电子较重的兄弟；它很像它，但是它大约重200倍
一个μ子比一个电子更强烈地束缚在原子核上，并以更窄的轨道包围着它
与电子相比，μ子更有可能留在原子核内
“所以有了μ子氦，我们可以得出关于原子核结构的结论，并测量其性质，”安托瓦尼解释道
慢μ子，复杂的激光系统 μ子是用粒子加速器在磅/平方英寸产生的
该设备的特点是:产生低能μ子
这些粒子速度很慢，可以在实验仪器中停止
这是研究人员能够形成奇异原子的唯一方法，在这些奇异原子中，μ介子将一个电子抛出其轨道并取代它
相比之下，快μ子会直接穿过这个装置
PSI系统比世界上所有其他类似系统提供更多的低能μ子
“这就是为什么用μ子氦进行的实验只能在这里进行，”弗朗茨·科特曼说，他40年来一直在为这个实验进行必要的初步研究和技术开发
μ子撞击了一个充满氦气的小室
如果条件合适，μ子氦就产生了，在那里μ子处于一种能量状态，它通常停留在原子核中
“现在实验的第二个重要组成部分开始发挥作用:激光系统，”波尔解释说
这个复杂的系统向氦气发射激光脉冲
如果激光的频率合适，它会激发μ子并使其进入更高的能量状态，在这种状态下，它的路径实际上总是在原子核之外
当它从这下降到基态时，它会发出x光
探测器记录这些x光信号
在实验中，激光频率不断变化，直到大量的x光信号到达
物理学家接着谈到所谓的共振频率
在它的帮助下，原子中μ子的两个能态之间的差异就可以确定了
根据理论，测得的能量差取决于原子核有多大
因此，使用理论方程，可以从测量的共振确定半径
这项数据分析是在美因茨的兰道尔夫·波尔小组进行的
质子半径之谜正在消失 PSI的研究人员已经在2010年用同样的方法测量了质子的半径
当时，它们的值与通过其他测量方法获得的值不匹配
有关于质子半径之谜的讨论，一些人推测在它的背后可能隐藏着一种新的物理现象，即以前未知的μ子和质子之间的相互作用
这一次，新的、更精确的数值与其他方法的测量结果之间没有矛盾
科特曼说:“这使得用超出标准模型的物理学来解释结果变得更加不可能。”
此外，近年来，通过其他方法确定的质子半径值已经接近于从PSI得到的精确数值
“质子半径之谜仍然存在，但它正在慢慢消失，”科特曼说
这项研究的第一作者朱利安·克劳斯说:“我们的测量可以有不同的用途，氦核的半径是核物理的重要试金石
“原子核通过所谓的强相互作用结合在一起，强相互作用是物理学中的四种基本力之一
借助被称为量子色动力学的强相互作用理论，物理学家希望能够预测氦核和其他具有少量质子和中子的轻原子核的半径
氦核半径极其精确的测量值对这些预测进行了检验
这也使得测试新的核结构理论模型和更好地理解原子核成为可能
对μ子氦的测量也可以与使用正常氦原子和离子的实验进行比较
在这些实验中，能量跃迁也可以用激光系统触发和测量——不过这里是用电子代替μ子
对电子氦的测量正在进行中
通过比较两次测量的结果，可以得出关于基本自然常数的结论，如里德堡常数，它在量子力学中起着重要的作用
具有悠久传统的合作 虽然质子半径的测量只是在长时间的实验后才成功，但氦核实验马上就成功了
“我们很幸运，一切都很顺利，”安托瓦尼说，“因为我们的激光系统处于技术的极限，有些东西很容易出故障。”
" “我们的新项目将会更加困难，”苏黎世联邦理工学院的卡斯滕·舒曼补充道
“我们现在讨论质子的磁半径
为此，激光脉冲的能量必须增加10倍
"
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