氦核的尺寸比以往任何时候都更精确

在Paul Scherrer Institute PSI进行的实验中，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）参与的一项国际研究合作对氦原子核半径的测量比以往任何时候都精确了五倍。借助新价值，可以测试基本的物理理论。

氦是仅次于氢的第二大宇宙元素。大爆炸后最初几分钟内形成的原子核中，约有四分之一是氦原子核。它们由四个构件组成：两个质子和两个中子。对于基础物理学而言，至关重要的是了解氦核的性质，尤其是了解其他比氦重的原子核中的过程。 PSI和苏黎世联邦理工学院的物理学家Aldo Antognini说，氦原子核是非常基本的原子核。

这样，国际研究合作成功地确定了氦核的大小，精确度是先前测量结果的五倍。该小组今天将其结果发表在著名的科学杂志《自然》（Nature）上。 。根据他们的发现，氦原子核的所谓平均电荷半径为1.67824飞米（1米内有1个万亿分之一飞米）。

“我们实验背后的想法很简单，” Antognini解释道。 ＆＃34;通常，两个带负电的电子绕带正电的氦核运动。在我们的实验中，我们没有使用正常原子，而是使用了奇异原子，在奇异原子中，两个电子都被一个μ子取代。该μ子被认为是电子的重兄弟；它很像，但重量大约是它的200倍。介子比电子更牢固地结合在原子核上，并以更窄的轨道环绕它。与电子相比，介子更有可能停留在原子核本身中。 ＆＃34;因此，通过使用离子氦，我们可以得出关于原子核结构的结论并测量其性质，” Antognini解释说。

使用粒子加速器在PSI上生成μ子。该设施的特色：产生低能量的μ子。这些颗粒很慢，可以停在实验设备中。这是研究人员形成奇异原子的唯一方法，在这种奇异原子中，介子将电子从其轨道中抛出并替换。相反，快速的介子会直接飞过设备。 PSI系统提供了比全球所有其他同类系统更多的低能耗μ子。 “这就是为什么只能在此处进行含onic氦气的实验的原因，”弗朗兹·科特曼（Franz Kottmann）说，他40年来一直在为这项实验进行必要的初步研究和技术开发。

介子撞到一个充满氦气的小房间。如果条件合适，则将产生μ子氦，其中μ子处于能态，并且通常停留在原子核中。 Pohl解释说，现在该实验的第二个重要组成部分开始发挥作用：激光系统。复杂的系统向氦气发射激光脉冲。如果激光具有正确的频率，它将激发介子并将其推进到更高的能量状态，在这种状态下，其路径实际上始终在原子核之外。当它从此跌落到基态时，它会发出X射线。探测器记录这些X射线信号。

在实验中，改变激光频率，直到到达大量X射线信号为止。然后物理学家谈论所谓的共振频率。然后，借助其帮助，可以确定原子中介子的两个高能态之间的差异。根据理论，测得的能量差取决于原子核的大小。因此，使用理论方程式，可以从测得的共振确定半径。必要的数据分析由位于美因兹的约翰内斯·古腾堡大学的Randolf Pohl小组进行。

研究的第一作者朱利安·克劳斯（Julian Krauth）说，我们的测量可以以不同的方式使用：氦原子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而结合在一起，强相互作用是物理学中的四个基本力之一。借助强相互作用理论（称为量子色动力学），物理学家希望能够用少量质子和中子来预测氦核和其他轻原子核的半径。氦原子核半径的极其精确的测量值使这些预测得以检验。这也使测试核结构的新理论模型和更好地理解原子核成为可能。

离子氦的测量值也可以与使用正常氦原子和离子的实验进行比较。同样，在这些实验中，也可以使用激光系统触发和测量能量跃迁，不过这里是用电子而不是介子。电子氦气的测量正在进行中。通过比较两次测量的结果，可以得出关于基本自然常数（例如里德伯格常数）的结论，该常数在量子力学中起着重要作用。

Krauth JJ等人：用4原子氦离子来测量α粒子的电荷半径。性质。 2021.年1月27日，DOI：10.1038 / s41586-021-03183-1