氦(hai)原子(zi)(zi)(zi)是最(zui)(zui)基(ji)本(ben)的(de)(de)(de)(de)多(duo)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)原子(zi)(zi)(zi)，基(ji)于(yu)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)動力學(QED)理(li)(li)論(lun)的(de)(de)(de)(de)全量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)方法可以僅僅從基(ji)本(ben)物(wu)理(li)(li)常數(shu)(shu)出發(fa)，得到其高精(jing)度(du)的(de)(de)(de)(de)能級結(jie)構。4He原子(zi)(zi)(zi)23PJ能級的(de)(de)(de)(de)精(jing)細(xi)結(jie)構，對(dui)QED中最(zui)(zui)基(ji)本(ben)的(de)(de)(de)(de)物(wu)理(li)(li)常數(shu)(shu)——精(jing)細(xi)結(jie)構常數(shu)(shu)α(≈1/137)最(zui)(zui)為敏(min)感，其實驗測量(liang)(liang)和理(li)(li)論(lun)結(jie)果(guo)的(de)(de)(de)(de)對(dui)比，對(dui)于(yu)檢驗QED理(li)(li)論(lun)和α常數(shu)(shu)十分(fen)理(li)(li)想。同時，理(li)(li)論(lun)上，由(you)于(yu)4He原子(zi)(zi)(zi)受氦(hai)原子(zi)(zi)(zi)核有限(xian)尺寸大小的(de)(de)(de)(de)影響，其能級將會發(fa)生偏移(yi)，通過(guo)精(jing)確測量(liang)(liang)2S-2P能級躍遷(qian)的(de)(de)(de)(de)頻率(lv)，即可推算(suan)出氦(hai)原子(zi)(zi)(zi)核電(dian)(dian)荷(he)半徑信息。

該課題組(zu)在(zai)中國科學(xue)技術大(da)學(xue)搭(da)建了一(yi)套氦(hai)原子束精(jing)密光譜測(ce)量裝置。利用所產生的(de)亞(ya)穩(wen)態(tai)(tai)氦(hai)原子束流，結(jie)合激光冷卻原子技術大(da)幅提高(gao)其亮度(du)(du)，并通過(guo)激光制備單(dan)量子態(tai)(tai)氦(hai)原子(23S1)，經單(dan)頻激光激發其23S1-23PJ躍遷(qian)，最(zui)后基于單(dan)態(tai)(tai)選擇(ze)的(de)原子探測(ce)以及光學(xue)頻率梳頻率精(jing)確測(ce)定，獲得高(gao)精(jing)度(du)(du)的(de)躍遷(qian)頻率。

該(gai)實驗(yan)測(ce)(ce)得4He原子2S-2P能級躍(yue)遷的(de)中心頻(pin)率(lv)為276,736,495,600.0 ±0.45(stat) ±1.3(syst) kHz，是目(mu)前國際上(shang)最高精度的(de)測(ce)(ce)量(liang)結(jie)(jie)果(guo)(guo)(guo)(guo)。項(xiang)目(mu)合作者、國際少體原子分子精密譜(pu)理論方面(mian)最著名的(de)專(zhuan)家(jia)、波蘭華沙大學的(de)K. Pachucki教授認為目(mu)前該(gai)實驗(yan)結(jie)(jie)果(guo)(guo)(guo)(guo)，已(yi)經可(ke)以滿(man)足(zu)測(ce)(ce)量(liang)氦核(he)半(ban)徑(jing)到千(qian)分之一(yi)精度的(de)需(xu)要(yao)，未來(lai)通(tong)過和(he)μ-氦原子測(ce)(ce)量(liang)得到的(de)核(he)電(dian)荷(he)半(ban)徑(jing)結(jie)(jie)果(guo)(guo)(guo)(guo)進行(xing)比對，將可(ke)能被用來(lai)檢(jian)驗(yan)超越(yue)標準模型的(de)新物理。另一(yi)方面(mian)，關(guan)于氦-4與氦-3原子核(he)電(dian)荷(he)半(ban)徑(jing)差(cha)(cha)，近20年來(lai)的(de)多個研究結(jie)(jie)果(guo)(guo)(guo)(guo)并(bing)不(bu)符(fu)合，至今原因不(bu)明(ming)。本次測(ce)(ce)量(liang)的(de)結(jie)(jie)果(guo)(guo)(guo)(guo)發現和(he)前人實驗(yan)之間存(cun)在著一(yi)個20倍標準差(cha)(cha)的(de)頻(pin)率(lv)偏差(cha)(cha)，這(zhe)極(ji)有可(ke)能是該(gai)核(he)電(dian)荷(he)半(ban)徑(jing)差(cha)(cha)偏差(cha)(cha)問題的(de)原因。

該系(xi)列工作(zuo)得到了中(zhong)科院精(jing)密測量(liang)先導(dao)計劃、國家自然科學基(ji)金委、量(liang)子信(xin)息(xi)和量(liang)子物理協同創新(xin)中(zhong)心(xin)、能源化學協同創新(xin)中(zhong)心(xin)的持續支持。